MATLAB在自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

徐文權(quán) 胡慧 楊偉 劉娟 李彥梅

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)以及人工智能的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為進(jìn)行科學(xué)研究工作的必須工具。為了加強(qiáng)自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，為今后的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文在介紹MATLAB軟件相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，以自動(dòng)化專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的教學(xué)環(huán)節(jié)為實(shí)例，重點(diǎn)闡述MATLAB仿真技術(shù)在磁懸浮球控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。研究結(jié)果表明，在自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)中應(yīng)用MATLAB仿真技術(shù)是非常有必要的，使用仿真技術(shù)可以讓學(xué)生更直觀地掌握控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想以及自動(dòng)化專業(yè)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，從而可以提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：MATLAB;自動(dòng)化;控制系統(tǒng);仿真;畢業(yè)設(shè)計(jì)

基金項(xiàng)目：安慶師范大學(xué)校級(jí)質(zhì)量工程重點(diǎn)立項(xiàng)（項(xiàng)目編號(hào)：2018aqnujyxm022，2019aqnujyxm16），安徽省一般教研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2019jyxm0290，2018jyxm1028，2018jyxm0226），安徽省重大線上教學(xué)改革研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2020zdxsjg206），安慶師范大學(xué)校級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2019aqnujyzc074，2019aqnujyzc025，2019aqnujyzc009，180006021）。

1 引言

近些年來，MATLAB已經(jīng)成為科研以及工程實(shí)際應(yīng)用中最重要的工具之一[1]。MATLAB已經(jīng)成為《自動(dòng)控制原理》，《現(xiàn)代控制理論》，《數(shù)字信號(hào)處理》以及《控制系統(tǒng)仿真》等自動(dòng)化專業(yè)相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容。在一些控制的相關(guān)實(shí)驗(yàn)或設(shè)計(jì)中，如果直接對(duì)物理模型進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，則可能會(huì)造成實(shí)驗(yàn)成本的浪費(fèi)、效率低以及通用性較差的缺點(diǎn)[2]。如果在進(jìn)行具體控制實(shí)驗(yàn)前，先通過相關(guān)的計(jì)算機(jī)仿真軟件，例如，MATLAB軟件對(duì)真實(shí)情況進(jìn)行模擬研究，則會(huì)節(jié)約相關(guān)的實(shí)驗(yàn)成本，甚至?xí)?shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)所不能實(shí)現(xiàn)或難以實(shí)現(xiàn)的功能，從而能夠提高實(shí)驗(yàn)效率。因此，使用MATLAB軟件在控制系統(tǒng)的仿真研究中具有十分重要的意義。

MATLAB軟件是一個(gè)包含很多工具箱，Simulink軟件包以及功能模塊的軟件。Simulink是一個(gè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模，仿真和綜合分析的集成軟件包?？梢酝ㄟ^Simulink軟件包來處理線性系統(tǒng)，非線性系統(tǒng)，離散系統(tǒng)以及連續(xù)系統(tǒng)等。學(xué)生可以通過MATLAB軟件來完成對(duì)控制系統(tǒng)的仿真研究，更好地完成畢業(yè)設(shè)計(jì)工作。通過仿真研究來調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，激發(fā)靈感，而且可以避免一些實(shí)際實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性。因此，使用MATLAB對(duì)于自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生從事控制系統(tǒng)的研究工作是一種十分必須的授課課程。

本文擬通過使用MATLAB在對(duì)磁懸浮球系統(tǒng)的仿真研究，并以畢業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)教學(xué)環(huán)節(jié)為案例，詳細(xì)介紹MATLAB仿真軟件在自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)過程中的應(yīng)用，闡明MATLAB軟件可以提高學(xué)生動(dòng)手能力以及科研水平。

2 磁懸浮球系統(tǒng)

為了便于分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，首先需要根據(jù)實(shí)際的物理關(guān)系建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。本文所建立的數(shù)學(xué)模型是根據(jù)圖1所示的磁懸浮球系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程、電學(xué)、力學(xué)等相互關(guān)系為基礎(chǔ)建立的。圖1所示磁懸浮球系統(tǒng)的控制目的是使小球懸浮不動(dòng)或者能夠跟蹤給定的參考信號(hào)。圖1中的磁懸浮球?qū)嶒?yàn)裝置主要由功率放大器，LED光源，電磁鐵，光電傳感器以及被控對(duì)象鋼球組成[3]。

3 MATLAB在畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用

本節(jié)選擇PID控制器用于上節(jié)介紹的磁懸浮球系統(tǒng)中，并分析MATLAB仿真軟件在自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。以畢業(yè)論文中PID控制磁懸浮球?yàn)槔?，PID控制器用于控制磁懸浮球系統(tǒng)的物理模型控制仿真圖形如圖2所示，并分別采用方波信號(hào)和正弦信號(hào)作為輸入信號(hào)。圖2中的上圖是采用方波信號(hào)作為輸入信號(hào)，下圖采用正弦信號(hào)作為輸入信號(hào)。兩種信號(hào)的控制效果如圖3和圖4所示。

從圖3和圖4可以看出，選擇PID作為控制器用于磁懸浮球系統(tǒng)中，可以取得一定的控制效果。通過PID控制的實(shí)例，不但可以讓學(xué)生學(xué)會(huì)控制系統(tǒng)仿真模型的搭建，而且能夠使學(xué)生加深對(duì)控制系統(tǒng)的理解。

4 結(jié)語(yǔ)

通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)可以看出，學(xué)生在建立控制系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，利用功能強(qiáng)大的MATLAB仿真軟件實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的仿真模型的建立。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)仿真分析方法，仿真結(jié)果都可以通過具體實(shí)驗(yàn)來得到驗(yàn)證，對(duì)具體的實(shí)際用于具有很好的參考價(jià)值。MATLAB軟件在自動(dòng)化專業(yè)中有著廣泛應(yīng)用，通過軟件仿真，不僅學(xué)生能深入理解課程內(nèi)容，而且有助于老師及時(shí)掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況，并及時(shí)改進(jìn)教學(xué)方法。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇良昱，趙忠彪，師路歡.MATLAB在電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].科技信息，2011（18）：11-11.

[2]劉獨(dú)玉，邵仕泉.Matlab在電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)中的教學(xué)探討[J].西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（S1）：38-40.

[3]固高科技（深圳）有限公司.磁懸浮實(shí)驗(yàn)裝置[M].深圳：固高科技有限公司.2006

[4]徐文權(quán)，唐飛，楊偉，等.基于案例教學(xué)法的自動(dòng)控制原理課程教學(xué)研究[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自科版），2017，023（004）：132-134.