摘要：分析了傳統(tǒng)自動控制原理實驗的局限，提出利用MATLAB資源和M語言開發(fā)實驗教學軟件的必要性，研制了一套基于MATLAB的自動控制原理實驗教學軟件并舉例。教學實踐表明，開發(fā)的教學軟件效果良好。

關鍵詞：MATLAB；自動控制原理；教學軟件

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)08-11ppp-0c

1 研究意義

傳統(tǒng)的自動控制原理實驗在某些教學儀器廠生產的控制實驗裝置上完成，其內部用運算放大器、電阻、電容等模擬器件構成了比例、積分、一階慣性等典型環(huán)節(jié)。實驗時，把系統(tǒng)分解成各典型環(huán)節(jié)的串聯(lián)形式，然后在模擬裝置上把表示相應典型環(huán)節(jié)的模塊連接起來，通過示波器觀察系統(tǒng)的響應和各項動態(tài)指標。這樣的實驗方式，雖然在培養(yǎng)學生動手能力、加深對課堂學習內容的印象等方面有一定的作用，但存在兩個局限：

（1）實驗設備高度集成，擴展性能差由于實驗裝置的各典型環(huán)節(jié)已經集成，可改參數有限，使得實驗以驗證性為主，而且操作復雜。比如觀察一個二階系統(tǒng)在不同阻尼系數下的階躍響應和動態(tài)指標，首先要把系統(tǒng)分解成典型環(huán)節(jié)的串聯(lián)形式，然后加上階躍輸入信號后在示波器上觀察響應和各項指標，操作起來十分不便。

（2）繪圖、計算復雜自動控制原理是自動控制專業(yè)的一門比較抽象的理論課程。由于控制系統(tǒng)分析往往涉及到各種分析方法的繪圖和復雜的計算，學生需要花很多的時間和精力在繪圖和計算上，影響到對控制系統(tǒng)分析原理的掌握。因而該課程授課難度大，學生的學習壓力也很大。

因此，這種實驗方式不僅未能發(fā)揮實驗在教學環(huán)節(jié)中的作用，而且成了制約“自動控制理論”教學的瓶頸。

隨著計算機應用軟件的飛速發(fā)展，計算機輔助教學軟件的開發(fā)已成為計算機應用軟件領域和教學改革的課題。用計算機完成復雜的計算和繪圖，授課時引導學生把精力放在概念的理解和方法的掌握上，將是該課程教學發(fā)展方向。MATLAB是1980年美國學者CleveMoler等人推出的用于工程計算和數值分析交互式語言。MATLAB軟件環(huán)境給用戶提供了一個人機交互的M語言。用戶用MATLAB進行控制系統(tǒng)分析，一般是用M語言在MATLAB運行環(huán)境下一步一步地輸入命令，用MATLAB提供的子程序和繪圖功能完成系統(tǒng)分析計算。這種靈活的操作方式要求用戶必須掌握M語言編程方法和各個控制系統(tǒng)分析子程序的調用接口，比較適合于有控制系統(tǒng)分析經驗和熟悉M語言的用戶。對于初學自動控制理論的學生，這種操作方式是不適合的。這可能使學生把精力和時間耗費在學習和掌握M語言上，而不是用在對控制系統(tǒng)分析原理的掌握上。因此，利用MATLAB資源和M語言開發(fā)適用于自動控制原理實驗教學的應用軟件是必要的。

2 國內外研究綜述

目前，MATLAB已經成為國際上最流行的科學與工程計算的軟件工具，國內外很重視利用MATLAB研究和開發(fā)自動控制類課程的實驗教學軟件。國際控制界的許多專家已經開發(fā)了大量基于MATLAB的控制軟件，我國很多高校和研究部門也正在研制此軟件，但是國內尚未見有關產品的報道。

3 自控實驗教學軟件的研制

基于上述MATLAB強大的功能，我們研制了一套“基于MATLAB的自動控制原理實驗教學軟件”。該軟件的研制，給自動控制理論的教學工作帶來了極大的便利，能夠使學生直觀、生動地了解自控理論的內容，并對自控系統(tǒng)的設計起到良好的輔助作用，還可節(jié)省實驗設備的投資與維護費用。整個系統(tǒng)的功能分為階躍響應、脈沖相應、Nyquist圖、Bode圖和根軌跡圖等等。

軟件接口界面按照如下方式設計：

（1）菜單界面：根據自動控制原理課程的內容特點，在主菜單頁上排列該軟件的主要功能和控制系統(tǒng)方框圖，方框圖的傳遞函數可以按用戶需要自行更改。系統(tǒng)主界面如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主界面

（2）數據輸入：數據輸入采用統(tǒng)一格式的數據輸入對話框，如圖2所示。

圖2 數據輸入對話框

（3）結果輸出：計算結果輸出采用直觀的圖形顯示方式。

例如某開環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數為lhj03.tif繪制系統(tǒng)的Bode圖。

先在數據輸入對話框中輸入開環(huán)傳遞函數的分子分母矩陣，然后點擊主界面中的按鈕“Nyquist圖”，則可以在主界面的坐標位置輸出結果。部分程序如下：

function NYQUIST_Callback(hObject， eventdata， handles) %“Nyquisy圖”按鈕回調

global num1 den1%定義傳遞函數的分子多項式系數矩陣為全局變量

m=tf(num1，den1);%求傳遞函數

t=[0:0.1:6];%定義向量t

subplot('position'，[0.12 0.52 0.5 0.45]);%在指定位置建立圖形

nyquist(m);%繪制系統(tǒng)的Nyquisy圖

xlabel('實軸');%Nyquisy圖的橫坐標標注

ylabel('虛軸');%Nyquisy圖的縱坐標標注

title('Nyquist圖');%Nyquisy圖名稱

運行結果如圖3所示。

圖3 運行結果

4 結束語

根據自動控制原理實驗課程的特點，為用戶設計一個美觀、簡潔、明了的操作界面，使教師和學生不需要MATLAB知識就能掌握和應用，操作盡量簡單。充分調動學生的學習積極性，提高學生動手分析、設計系統(tǒng)的能力，有效地克服目前自動控制原理實驗的局限，從而使自控實驗煥發(fā)新的生機。

參考文獻：

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