基于MATLAB仿真的自動控制原理課堂教學(xué)應(yīng)用

陳超洋　李伊惠　周少武　歐青立　鐘斌

摘 要：本文基于MATLAB軟件，首先闡述了其在教學(xué)中的優(yōu)勢及應(yīng)用現(xiàn)狀，然后對MATLAB仿真在自動控制原理課堂教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行論述，最后通過一個(gè)應(yīng)用實(shí)例，反映出MATLAB有著比傳統(tǒng)教學(xué)更為直觀、快速的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：MATLAB仿真；自動控制原理；課堂教學(xué)

MATLAB是一種集數(shù)值計(jì)算、圖形可視化和符號計(jì)算三大基本功能于一體的，功能強(qiáng)大、操作簡單的工程計(jì)算應(yīng)用軟件，不管是在工程實(shí)例仿真還是數(shù)值演算等方面，都有著出色的表現(xiàn)及應(yīng)用。

近年來，基于MATLAB仿真的輔助教學(xué)也相當(dāng)廣泛，通過MATLAB軟件的應(yīng)用給課堂教學(xué)帶來一個(gè)全新視角。MATLAB軟件的應(yīng)用能為教學(xué)提供強(qiáng)有力的支撐，也能為學(xué)生將來從事科研及工程實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

一、MATLAB仿真在自動控制原理課堂教學(xué)中的應(yīng)用

MATLAB仿真在自動控制原理教學(xué)中的應(yīng)用，通過形象、生動的波形演示使分析方法更為便捷，為自動控制原理教學(xué)提供了一種全新的教學(xué)視角。

利用MATLAB仿真編寫一些教學(xué)軟件應(yīng)用于自動控制原理教學(xué)，可使學(xué)生通過不同參數(shù)的變化了解系統(tǒng)性能的變化。這樣，學(xué)生不僅僅只是通過文字描述來理解相關(guān)概念及性質(zhì)。例如，對于幾類穩(wěn)定判據(jù)（代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)、根軌跡穩(wěn)定判據(jù)、奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)和對數(shù)頻率穩(wěn)定判據(jù)），它們在使用時(shí)必須經(jīng)過大量的數(shù)學(xué)計(jì)算或精準(zhǔn)繪圖才能依據(jù)判據(jù)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，應(yīng)用MATLAB軟件就會方便地實(shí)現(xiàn)這些要求。

此外，在系統(tǒng)的性能分析方面，對于系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間計(jì)算、超調(diào)量的確定、振蕩次數(shù)多少、穩(wěn)態(tài)誤差的分析等，以上這些過程比較抽象并且難以理解。通過傳統(tǒng)的方法學(xué)習(xí)相對困難，并且煩瑣的數(shù)學(xué)計(jì)算和系統(tǒng)分析，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)積極性下降，影響課堂教學(xué)效率。所以，如果能將MATLAB軟件融入課堂教學(xué)中，將對改善教學(xué)有著很大的幫助。

二、MATLAB仿真在自動控制原理教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

例：對于下面典型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)

其中ωn=5，試?yán)L制系統(tǒng)在ξ=0.1，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，3.0時(shí)的單位階躍響應(yīng)情況。

MATLAB程序如表1。

不同阻尼比下，閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線如圖1所示。

由上面的應(yīng)用實(shí)例可以看出，通過MATLAB軟件可以快速、直觀、準(zhǔn)確地給出自動控制原理課堂教學(xué)需要展示的變化圖形，教師可以形象地給學(xué)生講解參數(shù)變化對于系統(tǒng)性能的影響，從而極大地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

當(dāng)學(xué)生對于MATLAB軟件的編程有了進(jìn)一步了解之后，可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力，例如，搭建和設(shè)計(jì)自己特有的模型等，這對于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新意識有著重要的作用。

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