MATLAB在高职控制系统课程教学技术中的应用

　　摘要：本文主要介绍了MATLAB在高职控制系统课程教学中的特点及应用，使读者建立系统仿真与MATLAB仿真的初步概念。通过实例说明MATLAB应用于高职控制系统课程教学取得的效果，MATLAB为控制系统的分析、计算、研究、综合设计以及自控系统的计算机辅助教学提供了快速、经济、科学有效的手段。
　　关键词：控制系统 MATLAB 辅助教学
　　中图分类号：TP311.1文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）08-0227-02
　　1 引言
　　控制系统是高职控制类专业的专业课，传统的教学方法对系统的分析显得很深奥，学生理解起来显得很能，因此很有必要寻求一种新的办法来解决存在的问题。控制系统的计算机仿真是一门涉及控制理论、计算数学与计算机技术的综合性学科，是在20世纪70年代初期发展起来的一门学科。人们将MATLAB计算机仿真应用于教学，取得了显著的成果，它包括控制系统的分析，综合，设计、校验等多方面的应用。本文基于上述思想，主要介绍了如何将MATLAB仿真软件应用于控制系统的教学。
　　2 MATLAB 在控制系统中的仿真过程
　　所谓的仿真，就是以系统数学模型为基础，以计算机为工具对系统进行试验研究的一种办法。通常，控制系统的仿真包含以下几个步骤：
　　（1）建立控制系统的数学模型。系统的数学模型，是描述系统输入、输出变量以及内部各变量之间关系的数学表达式。根据系统的实际结构与系统各变量之间所遵循的物理、化学等规律，写出变量间的数学表达式以建立数学模型。通用的数学模型有微分方程和传递函数。
　　（2）建立控制系统的仿真模型。原来建立的数学模型不能直接用于系统的仿真，需要转换为能够对系统进行仿真的模型。以传递函数为基础，等效转换为状态空间模型，或将其转化为动态结构图模型，便可以得到控制系统的仿真模型。
　　（3）编写控制系统的仿真程序。使用MATLAB的Toolbox工具箱及Simulink仿真工具，对于非实时系统，可以应用高级语言，对于实时系统的仿真，往往用汇编语言来编写。
　　（4）仿真并得到仿真结果。通过实际的仿真对原有的仿真结果和仿真模型进行验证，我们可以得到防震防结果。根据结果来说明系统的性能指标和动稳态特性。
　　3 MATLAB软件仿真的优势
　　MATLAB仿真软件应用于高职控制系统教学，有着非常明显的优势，涉及到的仿真模型很全、仿真内容全面、硬件投入少、实验过程安全可靠、损耗小、与工程实践最为接近等突出优点。
　　（1）仿真模型丰富，内容全面。MATLAB软件提供了丰富的仿真模型，包括控制系统的大部分类型。对同一类型控制系统，可以采用不同的模块来搭建完成，可以扩展学生的思路和提高学生的学习兴趣。该软件可以加快控制系统开发的速度，节约开发成本，提高开发效率。
　　（2）硬件投入少，经济优势明显。MATLAB所提供的13类基本模块库，可以直接用于系统电路的搭建，同时该软件所提供的仪表功能模块，都是可靠和经济的。如果在高职控制系统教学中投入这样的真实的仪器仪表，仅仪表的维护来讲，其工作量也是比较大的。因此采用软件的方式进行教学，硬件功能软件化，可以节省大量的实训投入，其经济优势是相当明显的。
　　（3）接近实际控制系统，提高解决实际工程问题的能力。采用MATLAB仿真软件后，实际工程问题的研究，可以先在软件环境中模拟仿真，再进行硬件的投入，这样的处理，不仅省时省力，也可以节省因方案不正确所造成的硬件投入的浪费。最后将仿真调试成功的控制系统电路移植到一个具体的系统电路中进行实际测试。将仿真软件和具体的工程有机如合起来，有利于学生对实际工程的了解和学习。
　　（4）教学过程安全，模拟仪器多、损耗小。采用MATLAB仿真软件进行的控制系统教学，可以将大量教学信息直接地表现出来，节约大量昂贵的实验仪器所带来的费用，调动学生的学习积极性和主动性，为控制系统的教学设计带来了很大的灵活性，打破了空间和时间的限制，避免真实操作所带来的各种危险，则不存在因操作不当而造成的仪器仪表的损毁，也涉及到仪器仪表等工作时所造成的能源消耗的问题。
　　（5）采用多媒体教学，丰富了教学的手段。在教学上虚拟实验采用多媒体教学，通过多媒体教学实现教师对学生同步演示控制电路图并讲解其原理，学生可以根据电路原理图在虚拟实验系统提供的功能模块库中找到相应的虚拟元件。仿真结果可以保存起来，自动生成实验报告，极大的丰富了教学内容和教学手段。
　　4 控制系统的仿真举例
　　一个具体的控制系统，我们一本研究这个系统的稳定性、准确性和快速性及控制系统的动稳态性能。下面将通过一个具体的工程实例来研究控制系统的仿真。图1为晶闸管-直流电动机转速负反馈调速系统的Simulink动态结构图。
　　4.1 求出系统的传递函数
　　4.2 求系统的稳定性
　　可以通过求系统特征方程的根来判断系统的稳定性，系统稳定的充分必要条件是全部为负值，都位于s的左半平面。
　　4.3 求系统的频域性能指标、Bode图和单位阶跃响应
　　4.4 基于MATLAB的根轨迹设计
　　在MATLAB控制系统根轨迹分析与设计给工具，可以分析根轨迹，也可以对系统设计。根轨迹可用于研究当改变参数时对系统根轨迹的影响，从而很好地解决高阶系统控制过程性能的分析与计算。运行rltool（sys）命令就可以打开根轨迹分析器。图3是传递函数sys在根轨迹分析器中的根轨迹和nichols曲线。
　　5 小结
　　通过以上研究可以看得，MATLAN应用于高职控制系统的教学，不仅丰富了教学手段，节约教学成本，更主要的是加强了学生对实际系统的认识，由于篇幅的限制，MATLAB在控制系统教学中的作用不能详述，本文只是列举了一些简单的例子，目的在于认识MATLAB在高职控制系统教学中的优势。MATLAB更大的优势在于它还可以进行二次开发，研究更加复杂的系统。
　　参考文献
　　[1]孔凡才.自动控制原理与系统[M].北京：机械工业出版社.2007，2.
　　[2]控制系统MATLAB计算及仿真[M].北京：国防工业出版社.2004，9.