MATLAB仿真在《控制工程基础》教学中的应用

钟汉生

摘 要： 《控制工程基础》课程的特点是知识点涉及广泛，需要学生有较强的数学基础，理论性强，绘图复杂，为了解决这个不足，引入MATLAB仿真融入教学中，结合MATLAB的GUI课件和Simulink仿真平台，最大限度地优化课程结构，强化教学效果和学生学习效果。

关键词： 《控制工程基础》 MATLAB仿真 应用方法

1.引言

《控制工程基础》是机械制造及其自动化、机械电子技术等专业的一门重要的专业基础课程，课程内容包括控制系统的数学模型、系统时域分析方法、系统频域分析方法、系统稳定性分析及控制系统的校正等。课程内容理论性较强、计算复杂，既包括很多数学公式的推导、验算，又包括很多复杂的方框图和伯德图等图表绘制。如果采用传统的课堂填鸭式教学，则一方面对教师来说上课压力比较大，需要利用有限的时间完成很多重复机械的劳动，另一方面学生学习效果还不佳，学习兴趣逐步下降。

另外，实验对于《控制工程基础》课程来说必不可少，传统的实验一般在自动控制实验箱上完成。这对于机械制造及其自动化、机械电子技术等专业学生来说，前期的电路方面知识可能相对缺乏，很多学生只能按照实验指导书机械地进行连线调试，然后通过示波器记录系统的响应曲线。这样的学习方式对于自动化专业来说可能比较合适，但是对于机械类学生来说弊大于利。

为了解决以上问题，提高学生的学习积极性和学习质量，课程组开展了《控制工程基础》的教学改革，其一是将MATLAB软件引入课程，并结合MATLAB平台设计部分课件，从而节省很多计算、绘图等时间以便更好地组织教学；其二是将原有的基于自动控制实验箱的实验改成基于MATLAB仿真的实验。

2.MATLAB的引入

MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。不管是在教学中还是在科研中，MATLAB都已经成为一种非常普遍而且有用的工具。目前，国内外很多高校都将MATLAB课程作为工科学生的一门必修课程，同时学校机房、实验室等基本配备了MATLAB软件以备学生使用。学生可以在MATLAB软件上完成自己的复杂数学运算，建立数学模型，进行仿真调试，等等，这些都在不同方面给予了学习者很大的方便。

在《控制工程基础》课程中，会涉及原理方框图绘制复杂，运用传统的教学方式无法使学生轻易学懂等问题，所以要将MATLAB软件平台有效融入教学活动中。在课堂上教师可以适时运用MATLAB软件进行辅助教学，学生也可以利用MATLAB软件平台完成部分作业或者进行结果的验算等。例如：利用MATLAB软件求解系统响应，可以快速绘制得到系统的时域、系统零极点分布、频域伯德响应曲线等。除此之外，对于实际工程项目，还可以借助Simulink这个非常实用的仿真平台进行建模及仿真。

3.理论课程的改革

3.1GUI课件的使用

课程中会涉及很多绘图，比如单位阶跃响应输出曲线、单位脉冲响应输出曲线、伯德图的绘制，等等，如果教师在课堂上现场绘制，则会占用很多课堂时间。而采用MATLAB软件后就简单多了，为此，利用MATLAB软件的GUL功能，将这些需要绘图的知识点集中到一个GUI窗口中。这样，教师上课时候可以根据实际需要直接输入控制系统的传递函数，并选择相应的分析选项即可得到相应的输出图形。

如图所示传递函数为G（s）=■的伯德图绘制，只需要输入传递函数的分子多项式和分母多项式的系数就可以选择该传递函数的伯德图。

图1 GUI仿真课件伯德图仿真图

3.2控制系统的校正环节

在控制系统的校正方法中，主要讲授基于伯德图的串联校正方法。串联校正方法包括超前校正、滞后校正、滞后——超前校正等，而这些方法其本质就是实际工程中最常用的PID控制器。为此，这部分知识主要围绕PID控制器展开，并利用MATLAB的Simulink仿真平台，搭建系统PID控制仿真模型。

如图2所示为某控制系统的PID控制仿真结构图，为了便于仿真时调整参数，将该部分做成了MATLAB的精简系统，这样就能够很方便地更改PID参数。

图2 传统PID控制仿真图

4.基于MATLAB的实验设计

根据机械设计制造及其自动化专业的培养目标要求，调整了实验要求，重新设置了经典控制理论的5个实验，它们分别为典型环节的阶跃响应分析、二阶系统的时域仿真和稳定性分析、系统的频域仿真和稳定性分析、典型控制系统建模及仿真、系统PID控制器设计及仿真。这些实验要求学生掌握基于MATLAB/Simulink的控制系统分析和设计的基本方法，编写M程序或画Simulink仿真图，以及完成教材后的部分MATLAB习题。

实验可充分发挥学生的主动性和创新性，要求学生独立完成非线性对象的建模，控制方案设计，控制程序的编写、调试、系统的软硬件联调等工作。通过本层次的实验，提高学生将所学控制理论知识用于解决实际问题的能力，为今后进行实际系统的过程控制打下良好的基础。

5.结语

将MATLAB软件融入《控制工程基础》课程的理论教学和实践教学中，不仅改善了传统教学中存在的理论性强、计算复杂及绘图工作量大的缺点，而且有效提高了学生的学习积极性。同时使得学生对控制系统的时域分析和频域分析更加直观化，更容易理解。将传统的自动控制实验箱为主的实验改成以MATLAB平台为主的实验，符合机械专业的学情，增强了学生的动手能力和对实际工程的分析能力，为后期的毕业设计等课程打下了良好的基础。

参考文献：

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[2]结硕，韩光胜.Matlab在自动控制原理实验中的应用[J].实验技术与管理，2012（2）：95-97.

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