MATLAB在《自动控制原理与系统》教学中的应用

《自动控制原理与系统》是电气自动化专业的主干课程之一。它主要以自动控制理论作为系统分析的工具,以系统分析作为应用案例,研究自动控制系统的模型建立、性能分析和系统调试的基础理论与相关技术。该课程涉及知识面广,信息量大,而且理论性和实践性较强,抽象概念及分析方法较多。如果采用传统的教学方式,一方面教师需要花费大量时间在黑板上绘图、计算;另一方面,学生理解和接授知识会感觉枯燥难懂。

随着计算机的普及,多媒体教学手段的使用已非常普遍。PowerPoint功能强大,实用性强,操作简单,能够根据学生的学习进度进行交互式教学,克服了以往课堂教学的局限性,在很多学科教学中取得了良好的效果。但是,《自动控制原理与系统》课程理论抽象且工程应用性强,学生学习该课程需要理论联系实际。如果采用常规的多媒体教学手段,学生虽然在课堂上获得的信息量增加了,但对教学内容反而难以及时进行有效消化理解。在强调面向实际、面向应用的高职教育中,亟需寻找一种简捷易行、方便直观的新型教学方式来弥补传统教学方式的不足。针对该课程的特点、高职学生的基础及培养目标,在课程教学过程中,采用MATLAB 仿真软件进行辅助教学, 便于将抽象的理论知识形象化,可有效扩充教学信息,增加吸引力,有助于提高学生的学习兴趣。

MATLAB软件简介

MATLAB是美国Math Works公司于1982年推出的可视化软件。它集完善的数值分析、强大的矩阵计算、复杂的信号处理和完美的图形处理等功能于一体,构成一个方便实用的用户环境,方便进行科学分析和工程计算。它所提供的可视化动态仿真软件包——SIMULINK,可实现动态系统建模、仿真与分析,具有直观、方便、灵活等优点。

应用MATLAB / SIMULINK对系统进行建模、仿真与分析,简单方便,只需要在模型窗口中使用鼠标拖放选定的功能模块并用信号线将之连结起来,不需要编写任何程序代码,就可以实现系统仿真。而且MATLAB / SIMULINK仿真软件可以在仿真过程中随时改变参数,实时观测系统的变化,具有较好的交互性。

利用MATLAB辅助教学

MATLAB软件是在自动控制系统分析与设计领域广泛应用的工程仿真软件。它提供了一个方便易用的图形用户界面,将MATLAB控制工具箱的相关功能集成一体,用方块图的绘制代替了程序编写,使不熟悉MATLAB软件的学生也可以利用其资源进行自动控制系统分析,是控制系统分析的高效工具。MATLAB强大的功能使得课堂教学中用图形来验证理论不再繁琐。无论是自动控制理论部分,还是自动控制系统部分,均可将MATLAB软件引入课堂教学。因此,在教学过程中,适时穿插应用MATLAB软件进行演示教学,可以将教学内容按照一定的结构顺序,用简洁的文字、丰富的画面、逼真的动画以及声音等形象直观地呈现在学生面前。

将MATLAB软件引入多媒体教学,能够弥补传统教学讲解内容抽象,手工绘图不准确、不直观,教学内容难以扩展等不足。教师在课堂上可以随时演示系统的动态响应、参数变化的过程和结果,将系统的过渡过程生动形象地表现出来。这种直观的教学,不仅激发了学生的学习兴趣,而且将一些比较抽象的概念及以往教学中学生反映难以理解的内容生动、形象地加以阐明,有利于学生对抽象概念的理解,同时避免了多媒体教学把黑板搬到屏幕的缺陷。例如,在分析直流调速系统的抗负载扰动性能时,原先仅通过抽象的自动调节过程加以阐述,学生难以理解,而通过MATLAB 软件可以很方便地得到系统的动态响应曲线,从而加深学生对新知识的理解。再如,以往在时域响应分析中,对三阶以上的系统,无法获得确定的解,一般只能分析简单的二阶系统;而利用MATLAB软件,可以很方便地获得高阶系统的近似解。MATLAB 软件的引入,使学生对控制系统的概念及控制系统的性能分析有了较为感性的认识,有利于帮助学生建立正确的专业思想,深化对课程的理解。

利用MATLAB仿真应用实例

转速电流双闭环控制是调速系统的重点内容。它将控制理论中的反馈控制与电机的调速控制相结合,使调速系统具有良好的动态响应和抗扰动能力。下面以转速电流双闭环直流调速系统抗负载扰动为例,说明MATLAB的应用。

根据双闭环直流调速系统的动态结构图,用MATLAB可以建立双闭环调速系统的仿真模型,如图1所示。用户用鼠标在模块上双击,则显示出此模块的对话框,然后可根据系统具体要求设置参数或修改参数。直流电动机的参数为:PN=2.2kW,IN=12.5A,nN=1500r/min,Ra=1.36Ω,La=22mH;三相桥式晶闸管整流装置:放大倍数Ktr=40,平均延迟时间常数Ts=0.00167s,整流装置内阻Rr=3.24Ω;平波电抗器电阻Rs=0.4Ω,电感La=100mH;机电时间常数Tm=0.18s;速度调节器的比例系数Kn=11.25,时间常数Tn=0.06936s;电流调节器的比例系数Ki=0.973,时间常数Ti=0.0244s;电流反馈系数?=0.427,滤波时间常数Toi=0.002s;转速反馈系数?=0.00533,滤波时间常数Ton=0.01s。

为了分析系统的抗扰动能力,将系统设定在满负载起动,在第3.0秒时减去负载,运行仿真软件,即可在模拟示波器中得到转速n的动态响应波形,如图2所示。电动机的满载起动过程大约为0.3秒,启动后电动机的转速很快,达到940r/min,并趋于稳定。由于电机在第3.0秒减去负载,此时电机转速开始上升。在经过了大约0.15秒后,电机的转速又趋于稳定,稳定时转速仍为940r/min。通过仿真波形可以清楚地看到:当负载变化时,系统的转速要发生变化,但经历一段时间调整后,转速能恢复至原来数值,基本不受负载变化的影响,且稳定性能较好。

MATLAB 软件和自动控制理论多媒体课件有机融合起来的教学,不需要真正的硬件环境和资源。在课堂上直接进行演示,可以让学生看到实时的仿真结果,增强他们的参与感。实践表明,这种教学方法降低了自动控制理论的抽象性,有效地激发了学生的学习兴趣,使教师教起来轻松,学生学起来愉悦,提高了课堂教学效率。

参考文献:

[1]姚晓宁,郭琼.基于MATLAB 的Notebook功能在自动控制原理教学中的应用[J].职业教育研究,2007,(8).

[2]周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真[M].北京:中国电力出版社,2003.

[3]孔凡才.自动控制原理与系统(第3版)[M].北京:机械工业出版社,2005.

[4]袁玲,裴海龙,彭康拥.MATLAB在自动控制原理CAI教学中的应用[J].计算技术与自动化,2006,(3).

作者简介:

沈玉梅(1961—),女,辽宁大连人,硕士,大连职业技术学院电气与电子工程技术系副主任,副教授,研究方向为自动控制理论。