计算机仿真技术在自动控制原理课程教学中的应用

贾蓉 梅烨

摘 要 为了提高自动控制原理课程的教学质量和教学效率，将计算机仿真技术引入课堂教学，利用Matlab软件优化教学过程，给出了控制系统建模、分析的教学应用实例。教学实践表明，Matlab仿真技术拓展了自动控制原理课程的教学思路，很好地辅助了教学过程。

关键词 自动控制原理 计算机仿真 建模与分析

中图分类号：G424 文献标识码：A

0 引言

自动控制原理是工科院校自动化及其相关专业的一门重要的专业基础课，主要研究自动控制系统的一般规律，涉及控制系统建模、分析和综合的基本理论和方法。它具有概念抽象、公式多，理论分析和数学计算多且繁杂等特点，学生在学习时常感到很困难，没有足够的兴趣。针对这一特点，利用Matlab仿真技术优化自动控制原理教学过程，进行理论方法的实时演示教学，可帮助学生理解抽象的概念和方法，改善课堂教学效果。

1 利用Matlab优化自动控制原理教学过程的思路

Matlab软件具备强大的计算能力，绘图简便，算法语言简单，有多种工具箱供用户选择，为控制系统计算机辅助分析和设计提供了极大便利。利用Matlab优化自动控制原理教学，在形式上包括教师课堂内教学演示，结合学生课外仿真练习、实验、课程设计等；在内容上，从建立控制系统的模型入手，涵盖经典控制理论的三大分析方法，系统校正，以及非线性系统的分析等。借助Matlab仿真将抽象的理论内容形象化，使学生易于理解，以达到较好的教学效果。

2 教学应用举例

2.1 利用Simulink进行动态系统建模

利用Matlab中的Simulink组件，用户可以通过模块组合方法快速地创建动态系统仿真模型。如图1所示，为水箱液位控制系统，要求通过控制进水流量来调节液位高度。该系统的传递函数为： =

其中，时间常数 =，放大系数 = 。为水箱截面积，为流出阀阻力系数。

在Simulink中建立该系统的仿真模型，如图2所示。

将给定值参数设置为单位阶跃信号。按需求设置、，启动仿真过程，通过scope观察仿真结果曲线。

如图3所示为=1，分别取0.5、2时的值曲线，可以看出，系统的响应速度随时间常数增大而变慢。此外，还可改变值来观察系统响应情况。通过画面演示，学生易于理解参数变化对系统响应的影响。

2.2 控制系统的根轨迹分析

根轨迹法是一种图解法，直接由开环零极点的位置信息确定闭环极点随某一参数变化的轨迹，由根轨迹图可直观地看到参数变化对系统性能的影响。授课时若能借助Matlab绘制根轨迹图，能够高效地完成教学内容。

单位反馈系统的开环传递函数为（） = ，绘制系统的根轨迹图。

编制matlab程序如下：

运行程序，结果如图4所示。

从图4中可以看出，原系统稳定，增加开环极点 = -1后，随着K值增大，系统会变得不稳定；若增加 = 0，则系统变为结构不稳定，提醒学生在进行系统设计时，利用增加系统型别来改善稳态精度，要综合考虑是否改变了系统的稳定性；若增加开环零点 = -1，则根轨迹全部落在负实轴上，说明系统为过阻尼状态，其阶跃响应无超调。

2.3 控制系统的频域分析

频率法也是一种图解法，频率特性图根据采用的坐标系分为奈氏图、伯德图等。通常，利用奈氏图分析闭环系统的稳定性较方便；而分析典型环节的参数变化对系统性能的影响，则伯德图最为直观。利用Matlab，可以快速地绘制系统的频率特性图。

单位负反馈系统的开环传递函数为（） = ，绘制系统的伯德图和奈氏图。

编制matlab程序如下

从图5看出，奈氏曲线不包围（-1，0）点，闭环系统是稳定的。利用bode命令也可以绘制伯德图，区别在于margin命令在绘图的同时还可以计算出相位裕度和增益欲度。

3 结论

利用Matlab进行自动控制原理课程的交互式演示教学，在教学实践中取得了较好的教学效果。第一，通过计算机仿真，使学生获得直观的感受，激发学生的学习兴趣。第二，在软件中修改各种参数和仿真验证，利于对比式教学，使理论讲解更加清晰。第三，学生对Matlab软件学以致用，为后续课程打下良好的基础。总之，引入基于Matlab的计算机仿真技术，为自动控制原理教学带来了极大的便利性和灵活性，很好地辅助了教学过程。

湖北汽车工业学院教研项目：自动控制原理与计算机仿真技术的教学整合JX201411，自动控制原理校级精品课程建设

参考文献

[1] 胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2013.

[2] 陈桂明.应用MATLAB建模与仿真[M].北京：科学出版社，2001.