徐文權 胡慧 楊偉 劉娟 李彥梅
摘 要:隨著科學技術以及人工智能的飛速發(fā)展,計算機已經(jīng)成為進行科學研究工作的必須工具。為了加強自動化專業(yè)學生的理論與實踐相結合的能力,為今后的工作打下堅實的基礎。本文在介紹MATLAB軟件相關知識的基礎上,以自動化專業(yè)本科畢業(yè)設計的教學環(huán)節(jié)為實例,重點闡述MATLAB仿真技術在磁懸浮球控制系統(tǒng)設計中的應用。研究結果表明,在自動化專業(yè)畢業(yè)設計教學環(huán)節(jié)中應用MATLAB仿真技術是非常有必要的,使用仿真技術可以讓學生更直觀地掌握控制系統(tǒng)設計的思想以及自動化專業(yè)的相關知識點,從而可以提高學生分析問題和解決問題的能力。
關鍵詞:MATLAB;自動化;控制系統(tǒng);仿真;畢業(yè)設計
基金項目:安慶師范大學校級質量工程重點立項(項目編號:2018aqnujyxm022,2019aqnujyxm16),安徽省一般教研項目(項目編號:2019jyxm0290,2018jyxm1028,2018jyxm0226),安徽省重大線上教學改革研究項目(項目編號:2020zdxsjg206),安慶師范大學校級質量工程項目(項目編號:2019aqnujyzc074,2019aqnujyzc025,2019aqnujyzc009,180006021)。
1 引言
近些年來,MATLAB已經(jīng)成為科研以及工程實際應用中最重要的工具之一[1]。MATLAB已經(jīng)成為《自動控制原理》,《現(xiàn)代控制理論》,《數(shù)字信號處理》以及《控制系統(tǒng)仿真》等自動化專業(yè)相關課程的教學內(nèi)容。在一些控制的相關實驗或設計中,如果直接對物理模型進行相關實驗,則可能會造成實驗成本的浪費、效率低以及通用性較差的缺點[2]。如果在進行具體控制實驗前,先通過相關的計算機仿真軟件,例如,MATLAB軟件對真實情況進行模擬研究,則會節(jié)約相關的實驗成本,甚至會實現(xiàn)物理實驗所不能實現(xiàn)或難以實現(xiàn)的功能,從而能夠提高實驗效率。因此,使用MATLAB軟件在控制系統(tǒng)的仿真研究中具有十分重要的意義。
MATLAB軟件是一個包含很多工具箱,Simulink軟件包以及功能模塊的軟件。Simulink是一個進行動態(tài)系統(tǒng)建模,仿真和綜合分析的集成軟件包??梢酝ㄟ^Simulink軟件包來處理線性系統(tǒng),非線性系統(tǒng),離散系統(tǒng)以及連續(xù)系統(tǒng)等。學生可以通過MATLAB軟件來完成對控制系統(tǒng)的仿真研究,更好地完成畢業(yè)設計工作。通過仿真研究來調動學生的積極性,激發(fā)靈感,而且可以避免一些實際實驗的危險性。因此,使用MATLAB對于自動化專業(yè)學生從事控制系統(tǒng)的研究工作是一種十分必須的授課課程。
本文擬通過使用MATLAB在對磁懸浮球系統(tǒng)的仿真研究,并以畢業(yè)設計專業(yè)教學環(huán)節(jié)為案例,詳細介紹MATLAB仿真軟件在自動化專業(yè)畢業(yè)設計教學過程中的應用,闡明MATLAB軟件可以提高學生動手能力以及科研水平。
2 磁懸浮球系統(tǒng)
為了便于分析和設計控制系統(tǒng),首先需要根據(jù)實際的物理關系建立系統(tǒng)的數(shù)學模型。本文所建立的數(shù)學模型是根據(jù)圖1所示的磁懸浮球系統(tǒng)動力學方程、電學、力學等相互關系為基礎建立的。圖1所示磁懸浮球系統(tǒng)的控制目的是使小球懸浮不動或者能夠跟蹤給定的參考信號。圖1中的磁懸浮球實驗裝置主要由功率放大器,LED光源,電磁鐵,光電傳感器以及被控對象鋼球組成[3]。
3 MATLAB在畢業(yè)設計教學中的實際應用
本節(jié)選擇PID控制器用于上節(jié)介紹的磁懸浮球系統(tǒng)中,并分析MATLAB仿真軟件在自動化專業(yè)畢業(yè)設計中的應用。以畢業(yè)論文中PID控制磁懸浮球為例,PID控制器用于控制磁懸浮球系統(tǒng)的物理模型控制仿真圖形如圖2所示,并分別采用方波信號和正弦信號作為輸入信號。圖2中的上圖是采用方波信號作為輸入信號,下圖采用正弦信號作為輸入信號。兩種信號的控制效果如圖3和圖4所示。
從圖3和圖4可以看出,選擇PID作為控制器用于磁懸浮球系統(tǒng)中,可以取得一定的控制效果。通過PID控制的實例,不但可以讓學生學會控制系統(tǒng)仿真模型的搭建,而且能夠使學生加深對控制系統(tǒng)的理解。
4 結語
通過本次畢業(yè)設計可以看出,學生在建立控制系統(tǒng)模型基礎上,利用功能強大的MATLAB仿真軟件實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的仿真模型的建立。設計了系統(tǒng)仿真分析方法,仿真結果都可以通過具體實驗來得到驗證,對具體的實際用于具有很好的參考價值。MATLAB軟件在自動化專業(yè)中有著廣泛應用,通過軟件仿真,不僅學生能深入理解課程內(nèi)容,而且有助于老師及時掌握學生學習情況,并及時改進教學方法。
參考文獻
[1]蘇良昱,趙忠彪,師路歡.MATLAB在電氣工程及其自動化專業(yè)教學中的應用研究[J].科技信息,2011(18):11-11.
[2]劉獨玉,邵仕泉.Matlab在電氣工程及其自動化專業(yè)中的教學探討[J].西南民族大學學報:自然科學版,2011(S1):38-40.
[3]固高科技(深圳)有限公司.磁懸浮實驗裝置[M].深圳:固高科技有限公司.2006
[4]徐文權,唐飛,楊偉,等.基于案例教學法的自動控制原理課程教學研究[J].安慶師范學院學報(自科版),2017,023(004):132-134.