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        MATLAB/SIMULINK仿真技術(shù)在研究生《線性系統(tǒng)理論》課程教學(xué)中的應(yīng)用

        2015-06-02 19:38:23周穎
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2015年12期

        周穎

        摘 要:《線性系統(tǒng)理論》是控制科學(xué)與工程學(xué)科碩士研究生的重要基礎(chǔ)課程之一。目前多采用“課堂講授”輔以少量試驗的傳統(tǒng)教學(xué)方式,學(xué)生較難理解,教學(xué)效果差強(qiáng)人意。該文將MATLAB/SIMULINK引入到研究生《線性系統(tǒng)理論》課程的教學(xué)過程中,克服了傳統(tǒng)教學(xué)方式存在的缺陷。不僅有助于加深學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解和掌握,而且在培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題以及提高科研能力等方面有著積極的促進(jìn)作用,取得了令人滿意的效果。

        關(guān)鍵詞:線性系統(tǒng)理論 研究生課程教學(xué) MATLAB/SIMULINK

        中圖分類號:TP13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2015)04(c)-0081-02

        《線性系統(tǒng)理論》是現(xiàn)代控制理論體系中最基本的分支,是控制理論與控制工程、系統(tǒng)工程等多個學(xué)科的碩士研究生學(xué)位課程。該課程與實際工程應(yīng)用聯(lián)系緊密,在整個專業(yè)知識體系中占據(jù)非常重要的地位。該課程屬于原理性課程,涵蓋了自動控制學(xué)科的一些最基本的理論、方法和知識點?,F(xiàn)在該課程的教學(xué)通常采用傳統(tǒng)的“課堂講授”再輔以少量試驗手段來進(jìn)行,存在如下問題:因為該課程理論性強(qiáng),較為抽象,單純的課堂教學(xué)較為枯燥;同時試驗依賴于客觀條件,試驗結(jié)果有時并不理想,起不到應(yīng)有的輔助理解作用。上述原因,使得傳統(tǒng)教學(xué)方法的教學(xué)效果不夠理想。如何在課程教學(xué)中,使學(xué)生在學(xué)習(xí)線性系統(tǒng)理論基本內(nèi)容時,能更深刻地領(lǐng)會和掌握理論本質(zhì),是課程教學(xué)過程中面臨的難題。

        MATLAB/SIMULINK具有功能豐富的應(yīng)用工具箱,為用戶提供了大量方便實用的處理工具,深受工程技術(shù)人員及科技專家的歡迎,目前已成為科學(xué)分析和計算領(lǐng)域的主流軟件。對于控制科學(xué)與工程等相關(guān)工科專業(yè)來講,MATLAB/SIMULINK的控制系統(tǒng)工具箱含有豐富的線性連續(xù)系統(tǒng)時域分析功能,編程簡潔、仿真效果非常直觀。我們將充分利用MATLAB/SIMULINK的上述優(yōu)點,將其應(yīng)用于《線性系統(tǒng)理論》的教學(xué),來克服傳統(tǒng)教學(xué)方式的缺陷,使學(xué)生可以直觀理解課程內(nèi)容的重點,掌握分析問題的方法,同時對學(xué)生科學(xué)研究能力的培養(yǎng)也具有積極作用。

        1 MATLAB/SIMULINK在《線性系統(tǒng)理論》教學(xué)中的應(yīng)用例

        系統(tǒng)的狀態(tài)觀測問題是線性系統(tǒng)理論中一個重要問題,需要根據(jù)響應(yīng)曲線來分析觀測器性能,而上述圖形均需要復(fù)雜的計算過程,常?;ㄙM大量的時間,并且效果并不直接。為此,可以利用MATLAB/SIMULINK提供的M-函數(shù)程序包,可以很方便地調(diào)節(jié)各種控制參數(shù),使學(xué)生直觀了解設(shè)計參數(shù)變化對控制系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。這解決了傳統(tǒng)理論教學(xué)中教師板書畫圖耗費時間及不準(zhǔn)確的弊端,有利于學(xué)生對抽象理論的理解,極大地提高了課堂效率。

        下面,通過一個具體實例來說明MATLAB/SIMULINK在線性系統(tǒng)理論教學(xué)中的應(yīng)用。

        例1.狀態(tài)觀測問題是線性系統(tǒng)理論中的一個難點,需要學(xué)生了解其內(nèi)在的原理,明白觀測器參數(shù)在其中所起得作用。通過一個例子對MATLAB/SIMULINK的應(yīng)用做進(jìn)一步闡述。

        取矩陣,,系統(tǒng)的初始狀態(tài)分別取為,觀測器的初始狀態(tài)取為。

        對此問題,可以利用MATLAB/SIMULINK的M-函數(shù)來求解,首先建立原系統(tǒng)與觀測器的微分方程組如下:

        function xdot=DxDt(t,x)

        xdot=[x(2);...

        1.08*(1-0.95*x(2))-0.81*x(1)+sin

        (t);...

        x(4)+10*(x(1)-x(3))+0.36*(3-0.95

        *x(2));...

        1.08*(1-0.95*x(3))+sin(t)-0.81*x(1)+0.81*x(3)];

        然后調(diào)用上述程序:

        tspan=[0,2];

        x0=[0;1;0;0;0.02];

        [tt,xx]=ode45(@DxDt,tspan,x0);

        再利用MATLAB的PLOT命令繪出觀測誤差曲線圖形。原系統(tǒng)狀態(tài)及觀測狀態(tài)分別如圖1、圖2所示,其中實線為原系統(tǒng)狀態(tài),虛線為觀測狀態(tài)。

        顯然,觀測器的觀測效果非常直觀的體現(xiàn)在了仿真圖形中,學(xué)生還可以根據(jù)需要,在程序中調(diào)節(jié)觀測器的參數(shù)設(shè)置,觀察不同參數(shù)設(shè)置下的系統(tǒng)瞬時響應(yīng)。

        2 結(jié)語

        MATLAB/SIMULINK的引入,使《線性系統(tǒng)理論》的教學(xué)由原來枯燥的純原理性“靜態(tài)”教學(xué),轉(zhuǎn)變?yōu)樾蜗笊鷦拥?、與工程實際緊密結(jié)合的“動態(tài)”教學(xué)。通過這種途徑,使學(xué)生能直觀地領(lǐng)會和理解分析方法和處理結(jié)果。另外,MATLAB/SIMULINK的引入還可以幫助學(xué)生熟練掌握該軟件,并將其應(yīng)用于解決控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計問題,對學(xué)生科學(xué)研究能力的培養(yǎng)也有很大的促進(jìn)作用。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 劉永強(qiáng),董翠敏.淺談《自動控制原理》課程教學(xué)改革[J].湖南農(nóng)機(jī),2008(1):83-85.

        [2] 鄭大忠.線性系統(tǒng)理論[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社,2007.

        [3] 張志涌.精通MATLAB6[M].5版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

        [4] 孟月波,嵇啟春.線性系統(tǒng)理論本科教學(xué)改革與實踐教學(xué)[J],電氣電子教學(xué)學(xué)報(增刊),2009(31):23-25.

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