Matlab数字仿真在自动控制原理教学中的应用.pdf

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1、第6卷第6期当代教育理论与实践V0I．6No．62014年6月TheoryandPracticeofContemporaryEducationJune．2014Matlab数字仿真在自动控制原理教学中的应用周兰，周少武(湖南科技大学信息与电气工程学院，湖南湘潭411201)摘要：自动控制原理这门控制理论课程强调方法论，理论性强，如何帮助学生理解和掌握课程中的基本概念、原理和分析方法，并培养学生运用所学知识解决实际问题的能力，是当前课堂教学所要解决的重要问题。通过讨论Matlab数字仿真在系统时域分析、根轨

2、迹分析中的应用，提出一种在课堂中引入虚拟实验的新型教学方法，增强教学内容的直观性，激发学生的学习兴趣，从而提高课堂教学质量和效率。关键词：Matlab数字仿真；时域分析；根轨迹法；课堂教学∞Il0中图分类号：G642文献标志码：A文章编号：1674—5884(2014)06—0068—03自动控制原理是自动化与电气信息类专业的一门重过程繁琐而且复杂，但是运用Matlab来判断稳定性不仅要的专业基础课程，在整个专业知识体系中有承上启下减少计算量，而且能够准确获得所有特征根。例如，已的作用，占据非常重要的地位

3、。该课程内容涉及控制系知线性系统闭环特征多项式统的模型建立、系统性能分析、系统设计等基本理论与方法，所讨论的基本问题是在工程实践的基础上提升和抽象出来的内容，具有理论性强、信息量大、概念抽象、数学推导多等特点，学生往往因为缺乏工程实践知识和对实际控制系统的感性认识，感到学习内容抽象，难以理解。通过将自动控制系统Matlab数字仿真应用于自动控制原理的多媒体课堂教学当中，在课堂教学中引入控制工程图1线性系统和含有饱和器的非线性系统仿真图实例，可以增强课堂教学的直观性和生动性，帮助学生理解和掌握抽象的理论知识

4、，从而提高教学效率。本文通／／，过实例探讨Matlab仿真技术在时域分析、根轨迹分析和．1．2⋯一一系统设计与校正等教学中的应用。O．8■■il／1基于Matlab／Simulink的时域分析法⋯⋯⋯自动控制原理讲述了常规的3大系统分析方法，包括时域分析、根轨迹分析和频域分析，其中时域分析中的数学模型是微分方程，复数域分析中的数学模型是传递函数，频域分析中的数学模型是频率特性。在时域分析图2系统(图1)的阶跃响应曲线法中，闭环系统稳定性的判定是学习重点，线性系统稳定的充要条件是：特征方程的所有特征根均具有

5、负实部⋯。q(s)=2s+3s+4s+5s+6，判定系统稳定性一般采用劳斯判据，对于高阶系统，计算只需编写Matlab文本程序语言：收稿日期：2014一O1—28基金项目：教育部国家特色建设专业(自动化)项目作者简介：周兰(1975一)，女，湖南涟源人，副教授，博士，主要从事鲁棒控制与重复控制研究。第6期周兰，等：Matlab数字仿真在自动控制原理教学中的应用69>>den=[23456]；roots(den)>>rlocus(Bum，den)便可得到所有特征根便可得到闭环系统的根轨迹仿真曲线，用鼠标点击

6、>>arts=0．3369+1．2587i轨迹曲线可以迅速确定系统在某一开环增益下的闭环增0．3369—1．2587i益K的取值范围。在根轨迹绘制的课堂教学中，可以应一1．0869+0．7653i用Matlab数字仿真验证手工制图的正确性。考虑如何在一1．0869—0．7653i。保证系统稳定的前提下，提高开环增益，以减小系统稳针对非线性系统，应用Simulink仿真一方面可以方态误差；引入开环零点，通过仿真分析说明开环零点除了便地判断系统的稳定性，另一方面可以分析非线性特性可改善系统稳定性外，还可以使系

7、统的动态性能得到改(饱和器、死区、继电器、间隙等)对系统稳定性的影响以善。例如，图5(a)是开环传递函数为G()=及系统参数与稳态性能的关系。Matlab／Simulink了—的闭环系统根轨迹曲线图，增加一个开环零S十ZS+jS仿真分析的主要步骤为：(1)建立控制系统方块图模型；(2)设置仿真参数；(3)动态仿真；(4)对系统输出点一1，得到开环传递函数为G(s)=的根轨十二tJ结果进行分析和比较。迹曲线图(b)。显然，系统的稳定性得到加强，并且左半例1，假设包含理想线性系统和包含饱和器的非线性平面的闭环

8、极点离虚轴距离也更远，从而可以较大地改系统阶跃响应仿真图如图1所示，其中饱和器的上限为善系统的动态响应速度和稳态跟踪能力，适时地引导学0．5，下限为一0．5，其中Y．为非线性系统的单位阶跃响0OOO生观察零点的位置与性能的关系，即如O何恰8当选6取附4加2O应，Y：为线性系统的单位阶跃响应。阶跃响应仿真结果0零点的位置，同时改善系统的稳态和动态性能。如图2所示，通过比较y和y，可以让学生分析出非线性2饱和器对系统稳定性和稳态跟