MATLAB在機(jī)電專業(yè)控制類課程中的應(yīng)用

摘 要：控制類課程包括“控制工程基礎(chǔ)”、“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”和“現(xiàn)代控制理論”等，是機(jī)電專業(yè)本科生的專業(yè)必修課?？刂评碚撌菣C(jī)電專業(yè)本科生和研究生繼續(xù)學(xué)習(xí)其他課程和相關(guān)研究的基礎(chǔ)。為了提高機(jī)電專業(yè)控制類課程的教學(xué)效果，解決課程中存在的數(shù)學(xué)公式多、計(jì)算量大、概念抽象等問題，本文將MATLAB仿真軟件應(yīng)用于該類課程的教學(xué)中，并且給出了具體的教學(xué)實(shí)例。

關(guān)鍵詞：MATLAB軟件；機(jī)電工程；控制；仿真

中圖分類號(hào)：TP13-4

控制類課程是機(jī)電專業(yè)本科生的專業(yè)必修課。學(xué)習(xí)好控制類課程為學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)和工作中更好地解決實(shí)際問題打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]?？刂祁愓n程的共同特點(diǎn)是課程內(nèi)容抽象，數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)偏多。傳統(tǒng)的講授辦法多偏重教師單方面進(jìn)行理論講解和公式推導(dǎo)，缺乏具體應(yīng)用的例子演示，導(dǎo)致學(xué)生偏重死記公式，忽略控制系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行過程，缺乏理論聯(lián)系實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)[2]。從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)內(nèi)容枯燥，學(xué)生容易產(chǎn)生厭學(xué)情緒。

MATLAB軟件具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算、邏輯運(yùn)算和圖形處理等功能。且擁有豐富的工具箱系統(tǒng)，可以生動(dòng)的展示控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的詳細(xì)過程，使得學(xué)生能夠充分地了解控制系統(tǒng)的實(shí)際工作原理和過程，而不是死記公式。在提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性的同時(shí)，MATLAB的介紹和使用還為學(xué)生今后進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究提供有力的工具。本文在分析了機(jī)電專業(yè)控制類課程的教學(xué)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，介紹了MATLAB軟件的系統(tǒng)建模、仿真、調(diào)試和分析等功能，最后給出了具體的將MATLAB軟件應(yīng)用到控制類課程教學(xué)中的例子。

1 控制類課程的教學(xué)特點(diǎn)

機(jī)電專業(yè)控制類課程的特點(diǎn)如下。

（1）課程內(nèi)容中概念抽象、數(shù)學(xué)公式偏多[3]。經(jīng)典控制理論以拉普拉斯變換為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，涉及到系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校正等概念和數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)。現(xiàn)代控制理論是建立在狀態(tài)空間法基礎(chǔ)上的一種控制理論?；诂F(xiàn)代控制理論發(fā)展了智能控制、非線性控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、預(yù)測控制等高級控制系統(tǒng)。

（2）課程內(nèi)容涉及的知識(shí)面廣，包括控制系統(tǒng)的模型建立、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本理論和相關(guān)技術(shù)。

（3）課程內(nèi)容中數(shù)學(xué)計(jì)算量大?？刂祁愓n程中涉及到的系統(tǒng)的模型建立、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等問題都需要大量的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和計(jì)算。例如基于拉普拉斯變換的表達(dá)系統(tǒng)輸入輸出特性的系統(tǒng)傳遞函數(shù)的求取、系統(tǒng)分析用的頻率響應(yīng)法和根軌跡法都需要大量的數(shù)學(xué)計(jì)算。

2 MATLAB的教學(xué)應(yīng)用

Matlab是一種用于數(shù)值計(jì)算、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)仿真的軟件平臺(tái)[5]。Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。MATLAB軟件還擁有大量的應(yīng)用工具箱，其中和控制相關(guān)的工具箱有系統(tǒng)辨識(shí)工具箱、控制系統(tǒng)工具箱、模糊邏輯工具箱、模型預(yù)測控制工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱和魯棒控制工具箱等。利用這些工具箱可以生動(dòng)、快捷的進(jìn)行系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的展示。

2.1 應(yīng)用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)建模與分析

利用MATLAB軟件可以方便地對系統(tǒng)進(jìn)行建模與分析。下面通過幾個(gè)例子進(jìn)行說明。

系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模的舉例

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，求閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)Y（s）/R（s）。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

應(yīng)用MATLAB編程如下：

s=tf（'s'）：F=1/（s+1）：C=（s^2+s+60）/s/（s^2+40*s+400）：

G=1/（s^2+5*s+10）：S=10/（s+10）：T=F*feedback（G*C，S）：

最終得到的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

（s3+11s2+70s+600）/（s7+56s6+1115s5+9560s4+36510s3+68020s2+40610s+600）

根軌跡分析舉例。

已知單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G（s）=K/[s（s+1）（s+2）]，利用MATLAB編程進(jìn)行根軌跡分析如下。

s=tf（'s'）：G=1/（s*（s+1）*（s+2））；

MATLAB繪制的根軌跡圖如圖2所示。

圖2 MATLAB繪制的根軌跡圖線

2.2 MATLAB在PID控制器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

PID 控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器[4]。

設(shè)開環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為G（s）=（s+6）/（2s3+5s2+4s+2）應(yīng)用MATLAB的Simulink對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，如圖3所示。

圖3 MATLAB的Simulink仿真圖

在Simulink仿真環(huán)境中，可以通過改變PID模塊中的Kp、Ki和Kd來修改PID的三個(gè)參數(shù)，通過Scope模塊來顯示當(dāng)前的系統(tǒng)輸出情況。這樣可以使得學(xué)生能夠更加直觀地觀察到PID的三個(gè)參數(shù)的變化對系統(tǒng)的影響。

3 結(jié)束語

本文介紹了將MATLAB軟件應(yīng)用到機(jī)電專業(yè)控制類課程的相關(guān)內(nèi)容。MATLAB軟件具有強(qiáng)大的計(jì)算功能和圖形處理功能，在控制類課程中應(yīng)用MATLAB軟件有利于學(xué)生對控制系統(tǒng)有更深入的了解，能夠?qū)刂葡到y(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)過程有更直觀的展示。本文在分析了控制類課程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，介紹了MATLAB的特點(diǎn)，最后通過實(shí)例說明了將MATLAB應(yīng)用于控制類課程的好處。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉芹，吳卓葵，程建興.MATLAB仿真技術(shù)在自動(dòng)控制原理教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國電力教育，2012（12）：76-77.

[2]楊蜀秦.MATLAB仿真在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2013（35）：159-160.

[3]楊秀萍，郭悅虹，王收軍.Matlab仿真在《控制工程基礎(chǔ)》教學(xué)中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011（33）：58-60.

[4]范振瑞.MATLAB在高職自動(dòng)化專業(yè)《自動(dòng)控制原理》課程中的教學(xué)應(yīng)用研究[J].軟件，2013（34）：155-157.

[5]王居鳳.Matlab在《現(xiàn)代控制理論》教學(xué)中的應(yīng)用[J].新課程·中旬，2013（07）：172-173.

作者簡介：張?jiān)迹?979.08-），男，遼寧人，副教授，博士，研究方向：非線性控制系統(tǒng)。

作者單位：淮海工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇連云港 222005