MATLAB仿真在自动化专业教学中的应用

摘要：近年来MATLAB仿真技术越来越广泛地应用于控制系统的分析与设计，在“自动控制理论”、“电力电子技术”、“现代控制理论”、“控制系统计算机仿真”等课程的教学中都使用了MATLAB辅助仿真分析。本文举例介绍了MATLAB仿真在自动化相关专业课程中的教学应用，实践证明取得了良好的教学效果。

关键词：MATLAB；仿真；自动化专业教学

各院校自动化专业的主要专业基础课和专业课通常包括“自动控制理论”、“现代控制理论”、“电机及拖动基础”、“微型计算机原理”、“计算机控制系统”、“交流调速系统”、“电力电子技术”、“控制系统计算机仿真”等等。这些课程的普遍特点是系统工作原理推导繁琐，涉及电路图、波形图繁多，基本公式罗列复杂，课后习题数量很大并且实验任务繁重，这些都给老师的“教”和学生的“学”两个方面带来了很大的困难。

自动化专业传统的“课堂讲授+实验检验”的教学模式已经不能满足需要，因此需要新的教学方法和辅助教学手段不断出现。作为自动化专业学生，应该学会掌握使用先进的计算机技术来分析和设计控制系统。而基于MATLAB仿真软件的计算机辅助设计为我们提供了强大的工具平台，它不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分析和设计能力，避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，还可以与实物调试相互补充，最大限度的降低设计成本，缩短系统设计调试周期。因此基于MATLAB仿真软件的辅助教学方法已经成为作为传统教学方式的有力补充，并取得了很好的效果。

一、MATLAB仿真辅助自动化专业教学的必要性和可行性

1.必要性。MATLAB是一种广泛应用于工程计算及数值分析领域的新型高级语言，由主开发环境、扩展MATLAB功能的工具箱、Simulink仿真环境和第三方开发的辅助工具等内容组成。它可靠的数值计算和符号计算功能、简单易学的编程语言、强大的图形功能以及为数众多的应用工具箱以及像“草稿纸”一样的工作空间是区别于其它科技应用软件的显著特点。在自动化专业教学中引入MATLAB仿真的必要性和可行性自动化专业学生如果能够在学习自动化相关专业理论的同时，学会使用MALAB语言，不仅对掌握和应用自动控制理论有帮助，还可以学会如何使用计算机辅助分析、设计控制系统，为以后的工作和学习打下良好的基础。

对于自动化专业的学生，有必要从一开始就以简单的MATLAB语言学习用计算机如何建模、如何分析和设计函数等，以强化自动化理论的应用性另一方面，MATLAB强大的可视化数据处理功能也能够弥补自动化专业理论课程授课时数的不足。由于教学内容直观性增强了，教材中的理论和公式更易于理解，教学质量明显提高。学生学会使用MATLAB语言之后，也能很容易地利用它绘制出各种图形，有利于更好地理解基本原理和核心概念。增加MATLAB语言内容，可以促进教学，增强学生自己动手分析、设计系统的能力。

2.可行性。MATLAB语言可在目前的各种类型的计算机上运行，安装简易。MATLAB语言比一般的高级语言(如C、FORTAN等)执行效率低，而其编程效率与可读性、可移植性要远远高于其他高级语言。因此，在计算机辅助设计与仿真中较适合从MATLAB这样的专用高级语言入手，这样，不但可以提高编程的效率，而且可以提高编程的质量和可靠性。这对于编程能力相对较弱的自动化专业学生来说无疑是最好的选择。MATLAB为自动控制领域的各类特殊问题量身定制了相应的指令、程序和运行环境，为全面解决该学科中的复杂数值计算问题，以及可视化、CAD研究等提供了综合解决方案。掌握了它，既为自控专业学习节省了大量的时间、精力，又提高了学习的针对性和应用性。

二、MATLAB仿真辅助自动化专业教学的目的

将MATLAB语言和自动化专业理论有机结合进行教学，需遵循循序渐进、深入浅出的原则，可以从基本操作入手，逐步过渡到模型建立，计算机辅助分析、设计中间，其中穿插自动化领域中常用工具箱(如：Control Systems ToolboxSystem lden-tification Toolbox，Optimization Toolbox等)中最基本的内容。最主要的是要让学生会使用Simulink工具箱，能够在simulink环境中进行系统仿真。同时，精选精讲课程例题、课后题，引导学生多做实习题，从增强学生实际动手能力出发，选取实践中的典型例子，把课堂中所学的理论和生产实践相结合，并采用MATLAB语言编程工具分析和解决问题，提高学生的科技创新以及掌握专业英语的能力。

三、MATLAB仿真辅助自动化专业教学实例

1.“自动控制原理”课程应用实例。例：已知单位负反馈系统的开环传递函数为：G(s)=2.7/(s3+5s2+4s)，用Bode图法判断系统闭环的稳定性。

>>Rum=2.7；den=[1540] SYS=tf(Rum，den)；

[Gm，Pm，Wcp，Wcg]=margin (SYS)；margin(SYS)

该程序运行后，得到系统的Bode图。计算的频域性能指标如下：幅值稳定裕度：Gm=7.4074，即20×log10 (7.4074)=17.3933 dB相位稳定裕度：Pm=51.7320°～180°穿越频率：ωcp=2s；剪切频率：ωcg=0.5783s

2.“电力电子技术”课程应用实例。晶闸管三相桥式整流电路的仿真模型，利用MATLAB的工具箱POWERLIB对晶闸管三相桥式整流电路进行建模和和参数设置。本例中设为晶闸管的通用桥和同步6脉冲触发器，这使得相控电路的模型搭建起来很容易。用三个交流电压源构成三相正弦波电压，Ua、Ub、Uc幅值设为100V，频率设为50Hz，相位分别为0、120°、-120°，6脉冲触发器通过常数模块与移相角控制信号相连，通过对常数模块的设置可以得到不同的移相控制角，由于6脉冲触发器的同步电压要求是线电压，因此用电压测量模块将相电压转为线电压负载电路用一串联的R电路组成，以便能模拟电阻性负载及阻感性负载的情况。打开仿真/参数设置窗口，选择ode23tb算法，将相对误差设置为1×10-3，停止时间设置为0.1s。单击工具栏中的“开始”按钮开始仿真，仿真结束后双击示波器模块可观测被测量的波形，经验证与理论图形完全相符。

自动化专业区别于其他专业的特点是特别强调系统的概念。完整地设计一个控制系统，对于培养学生建立系统的概念，使他们具有自动化专业毕业生应该具备的基本素质，是非常有帮助的。而基于MATLAB的计算机仿真软件能够快速地、方便地、廉价地设计并构造出各种控制系统，提供了一个强大的工具和工作平台。通过两个例子可见，将MATLAB仿真设计应用于自动化专业的教学中，可使教学达到事半功倍的效果，今后，我们还将在更多的专业课程中做更深更新的尝试。