Matlab仿真在《控制工程基础》教学中的应用

matlab在《控制工程基础》课程中的应用控制工程是一种基础的工程学科，它主要讲授如何应用数学算法、计算机科学知识等技术，来控制系统。

MATLAB是一种专为这类工程应用所设计的软件，可以帮助工程师们建立准确的模拟系统，以优化设计过程，实现控制工程的快速实施，提高控制系统的性能，以及利用机器和系统实现自动化控制。

因此，MATLAB在控制工程基础课程中的应用非常广泛。

首先，MATLAB可以让工程师们更容易地实现模拟仿真，来分析和评估控制系统。

其次，通过MATLAB，可以轻松实现计算机控制器的设计、编程和实现。

MATLAB拥有丰富的算法和函数，可以用来编写算法，实现系统控制。

此外，MATLAB还可以分析和绘制系统性能参数，以帮助工程师识别系统模型，并使系统性能得到必要的改进。

另外，MATLAB还适用于数据采集和处理，在控制工程基础课程中，MATLAB可以帮助学生收集、整理和分析数据，以便他们更好地分析控制系统。

比如，学生可以使用MATLAB来采集系统参数和性能参数，并绘制准确的性能曲线，以提供分析结果，并识别系统性能瓶颈。

此外，MATLAB还可以用来分析模型，实现系统自动控制，让学生可以更深入地学习控制系统的设计和分析。

最后，MATLAB也可以用来实现计算机视觉、机器学习和机器人技术的应用，这些都是控制工程的重要研究领域。

MATLAB能够快速实现这些技术，并且包含了大量的函数库和工具，可以优化模型算法，实现计算机视觉、机器学习和机器人技术在控制工程中的应用。

综上所述，MATLAB在控制工程基础课程中的应用非常广泛，可以实现模拟仿真分析、数据采集和处理、控制系统设计、编程和实现、计算机视觉、机器学习和机器人技术等方面的应用，为控制工程的学习提供了很大的帮助。

控制工程基础实验报告北京工业大学机电学院指导教师：初红艳学号：姓名：一．实验目的本实验中，学生使用MATLAB 语言进行控制系统的分析，可以达到以下目的： （1）通过MATLAB 的分析，掌握控制系统的时域瞬态响应、频率特性，根据时域性能指标、频域性能指标评价控制系统的性能，根据系统频率特性进行稳定性分析，了解对系统进行校正的方法，从而进一步巩固、加深对课堂内容的掌握，加强对控制工程基础知识的掌握。

（2）熟悉MATLAB 的控制系统图形输入与仿真工具SIMULINK ，能够对一些框图进行仿真或线性分析，使一个复杂系统的输入变得相当容易且直观。

（3）通过本实验，使学生掌握进行控制系统计算机辅助分析的方法，学会利用MATLAB 语言进行复杂的实际系统的分析、校正与设计，具备解决工程实际问题的能力。

二．实验内容控制系统方块图如图1所式。

这是一个电压—转角位置随动系统，系统的功能是用电压量去控制一个设备的转角，给定值大，输出转角也就成比例地增大。

图1 系统方块图 图中，)(1s G 为前置放大及校正网络传递函数K 2为功率放大器放大倍数，102=K K 3为电动机传递系数，s V rad K ⋅=/83.23 T M 为电动机机电时间常数，s T M 1.0= T a 为电动机电磁时间常数，ms T a 4= K c 为测速传递系数，rad s V K c /15.1⋅=β 为测速反馈分压系数，1=βK a 为主反馈电位计传递系数，rad V K a /7.4= U i 为输入电压U b 为反馈电压 U i 2为速度环输入电压 U c 为测速机电压 U D 为电动机电压n 为电动机转速取1=β三、实验报告1.对于二阶系统：1)(23++=s s G Ts T T KMaM，a M MaM T T T T T 21n ==ζω其阶跃响应和单位脉冲响应分别如图1-1、1-2所示：MATLAB 语言为： >>num=[2.83]num =2.8300>> den=[0.0004,0.1,1]den =0.0004 0.1000 1.0000>> sys=tf(num,den) sys =2.83 ---------------------- 0.0004 s^2 + 0.1 s + 1Continuous -time transfer function.>> step(sys)>> impulse(sys)图1-1图1-2此时阻尼比为2.5，由其阶跃响应可知其稳态值为2.83，为过阻尼状态，瞬态响应指标如上图所示；在无阻尼自振角频率不变时，通过简单计算得出如下的结论：M a M n T T T 25===ζω,0004.0,50调整TM=0.01，Ta=0.04,使得系统处于欠阻尼状态，0.25=ξ,其阶跃响应与单位脉冲响应1-3、1-4；MATLAB 语言如下：>>num=[2.83]num =2.8300>> den=[0.0004,0.01,1]den =0.0004 0.0100 1.0000>> sys=tf(num,den) sys =2.83 -----------------------0.0004 s^2 + 0.01 s + 1Continuous -time transfer function.>> step(sys) >> impulse(sys)其瞬态响应指标在下图中标出;图1-3图1-4调整TM=0.04，Ta=0.01,使得系统处于临界阻尼状态，其阶跃响应与单位脉冲响应如图1-5、1-6所示；MATLAB语言如下：>>num=[2.83]num =2.8300>> den=[0.0004,0.04,1]den =0.0004 0.0400 1.0000>> sys=tf(num,den)sys =2.83-----------------------0.0004 s^2 + 0.04 s + 1Continuous-time transfer function.>> step(sys)>> impulse(sys图1-5图1-6由以上当TM=0.1，Ta=0.0004，系统处于过阻尼状态，其阶跃响应与单位脉冲响应见图1-1、1-2所示：分析：由以上响应曲线和响应指标可知，过阻尼与临界阻尼无超调、无振荡，而欠阻尼有超调和振荡，过阻尼达到平衡状态所需的时间比临界阻尼和过阻尼都要长。

《控制工程基础》实验指导书机械与车辆学院2013实验一matlab软件使用一、实验目的1.掌握MATLAB软件使用的基本方法；2.熟悉MATLAB的数据表示、基本运算和程序控制语句；3.熟悉MATLAB程序设计的基本方法。

4.学习用MATLAB创建控制系统模型。

二、实验原理1.MATLAB的基本知识MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）之意。

MATLAB具有卓越的数值计算能力，具有专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,与工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多。

当MATLAB 程序启动时，一个叫做MATLAB 桌面的窗口出现了。

默认的MATLAB 桌面结构如下图所示。

在MATLAB 集成开发环境下，它集成了管理文件、变量和用程序的许多编程工具。

在MATLAB 桌面上可以得到和访问的窗口主要有：命令窗口（The Command Window）:在命令窗口中，用户可以在命令行提示符(>>)后输入一系列的命令，回车之后执行这些命令，执行的命令也是在这个窗口中实现的。

命令历史窗口（The Command History Window）:用于记录用户在命令窗口(The Command Windows)，其顺序是按逆序排列的。

即最早的命令在排在最下面，最后的命令排在最上面。

这些命令会一直存在下去，直到它被人为删除。

双击这些命令可使它再次执行。

要在历史命令窗口删除一个或多个命令，可以先选择，然后单击右键，这时就有一个弹出菜单出现，选择Delete Section。

任务就完成了。

工作台窗口（Workspace）:工作空间是MATLAB用于存储各种变量和结果的内存空间。

在该窗口中显示工作空间中所有变量的名称、大小、字节数和变量类型说明，可对变量进行观察、编辑、保存和删除。

MATLAB在控制⼯程中的应⽤MATLAB在控制⼯程中的应⽤控制⼯程实质上是研究⼯程技术中⼴义系统的动⼒学问题。

具体地说，它研究的是⼯程技术中的⼴义系统在⼀定的外界条件（即输⼊或激励，包括外加控制与外加⼲扰）作⽤下，从系统的⼀定的初始状态出发，所经历的由其内部的固有特性（即由系统的结构与参数所决定的特性）所决定的整个动态历程；研究这⼀系统及其输⼊、输出三者之间的动态关系。

在控制⼯程的学习中，常需要⼤量的计算，这些⼯作如果⽤传统法去完成，将显得效率不⾼误差较⼤。

因此，引⽤⼀种借助计算机的⾼级语⾔来代替传统⽅法就显得⼗分必要。

Matlab集科学计算、可视化、程序设计于⼀体，对问题的描述与求解较为⽅便，因此在控制⼯程中有⼴泛的应⽤。

MATLAB是由美国MathWorks公司于1984年正式推出的⾼性能数值计算软件，到⽬前为⽌，已经发展成为优秀的适合多学科的功能强⼤的科技应⽤软件之⼀，在多个⾯向不同学科领域⽽扩展的⼯具箱的⽀持下，MATLAB在许多学科领域中成为计算机辅助设计与分析、算法研究和应⽤开发的基本⼯具和⾸选平台。

MATLAB的控制系统⼯具箱，主要处理以传递函数为主要特征的经典控制和以状态空间为主要特征的现代控制中的问题。

该⼯具箱对控制系统的建模、分析和设计提供了⼀个完整的解决⽅案，是MATLAB最有⼒和最基本的⼯具箱之⼀。

概括地说，控制系统⼯具箱具有以下⼏个⽅⾯的功能。

1.系统建模控制系统⼯具箱同时⽀持连续系统和离散系统，能够建⽴系统的状态空间模型、传递函数模型及传递函数零极点增益模型，并实现任意两者之间的转换；可通过串联、并联、反馈连接及更⼀般的框图模型来建⽴复杂系统的模型；可通过多种⽅式实现连续系统的离散化、离散系统的连续化及重采样。

2.系统分析控制系统⼯具箱不仅⽀持对单输⼊单输出系统的分析，也⽀持对多输⼊多输出系统的分析。

对系统的频率特性，可⽀持系统的Bode图、Nyquist图和Nichols图的计算和绘制。

matlab在《控制工程基础》课程中的应用控制工程是电机技术的关键分支，它的核心内容是控制系统设计，它以数学方法研究控制系统的性能，并通过算法来实现控制系统的控制目标。

制工程基础课程的基本任务是帮助学生掌握控制理论、原理和方法，从而培养学生的控制理论分析能力和实践技能。

MATLAB作为一款图形化应用软件，在控制工程基础课程中有着重要的作用。

MATLAB作为一款数学建模和计算软件，具有图形易用性好、计算效率高、程序易维护等优势。

它对控制工程基础课程有很多好处，主要体现在以下几个方面：首先，MATLAB可以用于控制系统性能分析，可以设计和仿真不同的控制系统，以检验控制系统的动态特性。

此外，它还可以用于控制系统的调节，例如给定控制器参数，通过调节控制器输出达到控制系统设定的目标性能，而这些调节都可以在MATLAB中完成。

其次，MATLAB还可以用于数学建模，即建立控制系统的数学模型，进而建立控制系统的数学模型，并用以分析控制系统的动态特性。

MATLAB还可以用于系统仿真，即通过仿真技术对控制系统的操作流程和性能进行分析。

再者，MATLAB可以用于系统设计中的优化，可以通过优化算法调整控制系统参数，以达到最优的控制效果。

最后，MATLAB提供了丰富的算法和图形化工具，可以进一步提高控制性能，改善控制系统的动态特性。

总之，MATLAB在控制工程基础课程中有着重要的作用，不仅可以提高控制系统的性能，而且能够提高学生的实践能力。

在课程中，学生可以学习熟悉基本的控制理论，其中包括系统动态模型、控制器设计、优化技术、调节器设计等。

学生可以使用MATLAB 对控制系统的性能进行分析、建立控制系统的数学模型，以及选择最优的控制器参数。

此外，学生还可以使用MATLAB进行系统仿真，以检验控制系统的性能。

不仅如此，MATLAB还可以用于加强学生学习技能。

MATLAB提供了丰富的算法和图形工具，可以帮助学生更深入地理解控制工程的相关知识，加深对控制理论的把握。

Matlab在《机械控制工程基础》教学中的应用）摘要：随着科学技术和工业生产的迅速发展，用机械工程控制论分析和解决工程实际问题显得日益重要。

传统的教学媒体已不能满足《机械控制工程基础》课程数学推导多、绘图工作量大、实践性强等要求，在有限的课时内无法进行内容的扩展，学生对抽象的控制理论难以理解，学习兴趣不浓。

计算机技术的飞速发展和广泛应用，给传统教学提供了大量现代化的教学手段。

Matlab软件在《机械控制工程基础》中的合理运用，可以有效扩充教学信息，使教学生动形象，紧密联系工程实际，适应新形势下的教学要求。

针对《机械控制工程基础》的课程特点，分析了在教学中引入Matlab的必要性。

通过具体实例说明Matlab在时域分析和频域分析的应用过程，并得出结论：《机械控制工程基础》教学中应用 Matlab，有利于调动学生的学习积极性，培养学生分析和解决问题的能力，提高教学质量。

关键词：Matlab；机械控制工程基础；教学应用；时域分析；频域分析1.教学探讨1.1课程性质与特点《机械控制工程基础》是机械工程类学生一门重要的专业基础课，它从时域、频域两个方面系统地介绍了经典控制理论的主要内容，重点讲述控制理论及控制系统的分析和设计。

通过学习该课程，学生能以动态的观点看待一个机械工程系统；能从整个系统中的信息传递、转换和反馈等角度分析系统的动态行为；能结合工程实际，应用经典控制论的理论和方法分析、研究和解决实际的问题。

该课程把数理知识与专业课程紧密结合起来，研究的是在工程实际的基础上抽象出来的控制系统的共性问题，对理论性和实践性要求都很强，而且所包含的信息量大，更新和发展也比较快，具有一定的深度和难度。

这无疑会使学生在学习中感到吃力、乏味，主动性变差，产生厌学情绪，从而影响该课程的教学质量。

因此，对《机械控制工程基础》传统的教学模式进行适当的改革，对于提高该课程的教学质量，建立和谐的专业知识结构都是十分必要的。

1.2 教学应用Matlab的必要性Matlab的含义是矩阵实验室（MATRIXLABORATO-RY），是一套高性能的数值计算和可视化数学软件。

M a t l a b在控制工程中的应用(共7页)-本页仅作为预览文档封面，使用时请删除本页-Matlab在控制工程中的应用摘要：简要介绍MATLAB软件及其控制系统工具箱的功能，并通过具体实例说明MATLAB软件在《机械控制工程基础》课程教学中的优越性，从多方面探讨在教学过程中，如何更好地利用MATLAB软件.主要从系统的时间响应及频率特性、稳定性分析和系统校正的设计、线性离散系统的分析及系统模型的估计等方面使MATLAB得图形化和交换功能充分的体现了出来，使抽象复杂的理论变得生动形象、加深了对某些概念的理解、激发了我们的学习兴趣。

最后总结了关于怎样学好MATLAB的心得体会。

1.MATLAB简介MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

到目前为止，已经经发展成为优秀的适合多学科的功能强大的科技应用软件之一，在30多个面向不同领域而扩展的工具箱的支持下，MATLAB在许多领域中成为计算机辅助设计与分析、算法研究和应用开发的基本工具和首选平台。

MATLAB的发展经历了以下几个重要的发展时期：1）20世纪70年代后期，时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的Cleve?Moler教授为学生开发了矩阵特征值求解及线性方程求解的FORTRAN程序库及接口程序，取名为MATLAB，并开始流传。

2）1983年春，Cleve?Moler博士与John?Little等人用c语言开发了MATLAB的第二代专业版，具有数值计算及数据图形化功能。

3）1984年，Cleve?Moler与John?Little成立了MathWorks公司，正式把MATLAB推向市场。

4）1993年～1995年，MathWorks公司推出了MATLAB?版，充分支持Microsoft?Win—dows下的界面编程，1995年推出版。

Matlab数字仿真在自动控制原理教学中的应用摘要：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；课堂教学自动控制原理是自动化与电气信息类专业的一门重要的专业基础课程，在整个专业知识体系中有承上启下的作用，占据非常重要的地位。

该课程内容涉及控制系统的模型建立、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，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、根轨迹分析和系统设计与校正等教学中的应用。

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负实部［1］。

判定系统稳定性一般采用劳斯判据，对于高阶系统，计算过程繁琐而且复杂，但是运用Matlab来判断稳定性不仅减少计算量，而且能够准确获得所有特征根［2］。

Matlab模拟与仿真在控制系统设计中的应用引言：控制系统是现代科学技术中的重要组成部分，广泛应用于工业生产、交通运输、航空航天等领域。

控制系统的设计和优化对提高生产效率、降低能源消耗、保证安全性具有重要意义。

然而，真实系统的调试和优化需要大量的时间和成本，同时存在一定的风险。

为了克服这些困难，Matlab模拟与仿真成为了控制系统设计中不可或缺的工具。

本文将探讨Matlab模拟与仿真在控制系统设计中的应用，并深入探讨其优势和局限性。

一、Matlab在控制系统建模中的应用控制系统的建模是设计过程的关键一步，用于描述系统的物理特性和动态行为。

Matlab提供了强大的工具和函数库，可用于快速、准确地建立控制系统的数学模型。

其中最常用的是State Space（状态空间）模型和Transfer Function（传递函数）模型。

State Space模型是描述系统动态的一种方法，通过一组一阶微分方程表示系统的状态和输入输出关系。

利用Matlab，我们可以根据物理方程和参数创建State Space模型，并进行参数调整与优化。

Matlab提供了函数进行状态空间模型的系统响应分析和仿真，如step（阶跃响应）、impulse（冲击响应）等。

这使得我们能够快速评估系统的稳定性、性能和动态特性，为优化控制器提供依据。

Transfer Function模型是描述系统频率响应的一种方法，将输入和输出之间的关系表示为拉普拉斯变换的比值。

Matlab提供了一系列函数用于创建和分析传递函数模型，如tf（创建传递函数）、bode（频率响应）、nyquist（奈奎斯特图）等。

通过这些函数，我们能够快速分析系统的稳定性、频率响应和幅度相位特性，帮助我们理解系统的行为以及设计合适的控制器。

二、Matlab在控制系统仿真中的应用仿真是控制系统设计中必不可少的环节，用于模拟和验证设计的可行性和性能。

Matlab提供了完善的仿真工具，可进行开环仿真和闭环仿真。

MATLAB仿真在计算机控制技术课程教学中的应用研究【摘要】MATLAB在计算机控制技术课程中扮演着重要的角色，能够帮助学生更好地理解控制理论和应用。

本文将探讨MATLAB在控制系统设计、系统建模、PID控制器设计以及实验教学中的具体应用。

通过对MATLAB仿真的研究，我们可以深入了解其在教学中的重要性，并展望未来研究方向。

通过引入MATLAB仿真，学生能够在模拟环境中进行实践操作，加深对控制技术的理解，提高教学效果。

MATLAB的广泛应用为学生提供了更丰富的学习资源，有助于他们在控制技术领域获得更多的实践经验，为未来的专业发展打下坚实的基础。

【关键词】MATLAB仿真, 计算机控制技术, 课程教学, 应用研究, 控制系统设计, 系统建模, PID控制器设计, 实验教学, 重要性, 未来研究方向1. 引言1.1 研究背景随着现代工业技术的迅速发展，计算机控制技术在工程领域的应用越来越广泛。

计算机控制技术课程作为工科类专业的重要课程，对学生的专业素养和实际操作能力具有重要的影响。

传统的课堂教学方式往往难以满足学生对实际应用技能的需求，教学效果有限。

本研究拟通过探讨MATLAB在计算机控制技术课程教学中的应用研究，旨在提升课程教学的实用性和教学效果，进一步提高学生的学习兴趣和能力。

1.2 研究意义研究MATLAB仿真在计算机控制技术课程教学中的应用，可以促进教学模式的创新和教学效果的提升。

通过将MATLAB仿真技术引入到课堂教学和实验教学中，可以使学生更加直观地理解和掌握抽象的控制理论，激发学生学习的兴趣和主动性，提高学生的学习积极性和学习效果。

研究MATLAB仿真在计算机控制技术课程教学中的应用，对于推动计算机控制技术教育的发展，提高学生的学习质量和专业技能水平，具有重要的意义和价值。

通过不断深入研究和实践探索，可以进一步完善教学内容和教学方法，推动计算机控制技术教育朝着更加科学、高效和实用的方向发展。

《控制工程基础（经典控制部分)》的MATLAB 分析机电工程系郭天石李建明四川轻化工学院二零零二年九月前言在学习《工程控制基础》及其它相关的控制理论课程时，许多计算问题越来越离不开计算机辅助分析及计算机辅助设计。

在计算机性能迅速提高和各种软件大量涌现的今天，机辅分析与机辅设计也越来越方便.我们希望，在进行机辅分析及机辅设计时，把主要精力放在对计算机计算处理后的数据、曲线的控制特性分析上，而不在编程及调试程序上花费太多的时间，使计算机真正成为学习相关课程和解决实际问题的工具.因此，我们编写这本在MATLAB语言支持下进行控制方面的机辅分析及机辅设计的讲义,力图从实用的角度,介绍MATLAB语言在经典控制方面的一些典型应用。

第一章MATLAB的基本使用§1—1MATLAB语言简介MATLAB是一种高级矩阵语言，它由Math Works公司于1984年正式推出,它的基本处理对象是矩阵，即使是一个标量纯数，MATLAB也认为它是只有一个元素的矩阵。

随着MA TLAB的发展，特别是它所包含的大量工具箱（应用程序集）的集结,使MATLAB已经成为带有独特数据结构、输入输出、流程控制语句和函数、并且面向对象的高级语言。

MATLAB语言被称为一种“演算纸式的科学计算语言”,它在数值计算、符号运算、数据处理、自动控制、信号处理、神经网络、优化计算、模糊逻辑、系统辨识、小波分析、图象处理、统计分析、甚至于金融财会等广大领域有着十分广泛的用途。

MATLAB语言在工程计算与分析方面具有无可比拟的优异性能。

它集计算、数据可视化和程序设计于一体，并能将问题和解决方案以使用者所熟悉的数学符号或图形表示出来。

MATLAB语言和C语言的关系与C语言和汇编语言的关系类似。

例如当我们需要求一个矩阵的特征值时，在MA TLAB下只需由几个字符组成的一条指令即可得出结果,而不必去考虑用什么算法以及如何实现这些算法等低级问题，也不必深入了解相应算法的具体内容.就象在C语言下不必象汇编语言中去探究乘法是怎样实现的，而只需要采用乘积的结果就可以了。

典型案例仿真技术在《控制工程基础》教学中的应用刘文秀;郭伟【摘要】Because of the requirement of higher education reform in university, in the teaching process of con-trol engineering base, according to the characteristics of the course, the system simulation technology is intro-duced. In the case of the teaching method, the MATLAB software is used to realize the modeling, time domain analysis, frequency domain analysis and controller design of a typical case. In practice, it is proved that using rich teaching method can free students from the complicated derivation, and mathematical calculation. Through the graphical user interface of image it can stimulate the students' interest in learning, and mobilize students' learning initiative. It makes the control theory more easily accepted and digested by the students.%针对高等教育教学改革的要求,在《控制工程基础》教学过程中,依据课程的特点,引入系统仿真技术.通过典型案例仿真教学的方式,利用MATLAB 软件实现对案例的建模、时域分析、频域分析及控制器的设计.实践证明,利用这种丰富的教学手段把学生从复杂的数学推导、数学计算中解脱出来,通过形象的图形化用户界面,激发了学生的学习兴趣,调动了学生的学习积极性,使控制理论更加容易被学生接受、消化.【期刊名称】《韶关学院学报》【年(卷),期】2015(036)010【总页数】4页(P100-103)【关键词】控制工程;MATLAB;飞思卡尔;典型案例【作者】刘文秀;郭伟【作者单位】韶关学院物理与机电工程学院,广东韶关 512005;广东松山职业技术学院,广东韶关 521005【正文语种】中文【中图分类】TP13机电工业是我国最重要的支柱产业之一.《控制工程基础》理论在机械工程领域中有举足轻重的作用,该课程也是机械制造及自动化、机械电子工程、交通工程等专业的必修课,它能够把机和电的知识有效的结合,形成有效的控制策略及控制方法.因此这门课程对将来从事机械相关专业工作是十分有益的［1］.《控制工程基础》这门课程内容偏抽象,工程实践性较强,涉及数学知识广泛,因此课程的学习需要学生具有扎实的高等数学、复变函数等数学基础知识.但是由于学生的这部分基础知识掌握的不够扎实牢固,特别是对学科交叉的内容理解与应用不强,最终导致本门课程的学习困难较大.传统的教学方法中,任课教师感觉学生难教,学生感觉课程理论偏强,偏重于理论推导,理解困难,最终产生对课程学习的畏惧感.通过本门课程的教学改革,引入计算机仿真技术,使教学的实验环节与理论知识紧密的结合起来,调动学生学习本门课程的学习兴趣,这样更有利于教育和培养学生,加强理论知识的理解.针对教学改革目标,按照高等教育课程改革的基本要求,遵循学生学习能力培养的基本规律,按照教学内容,从简单到繁琐,从容易到困难,循序渐进的给定学生典型项目和学习的任务,利用计算机仿真技术的优势,达到较高水平的学习效果.全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是以单片机为核心的大学生课外科技竞赛.智能小车的设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、计算机、机械、能源等多个学科的知识［2］.课程教学过程中采用智能小车这种综合工程案例让学生了解课程的重要性［3］,并提供以往学生获奖的比赛视频,激发学生的学习兴趣,了解控制本质,为课程的教学开个好头.在小车控制系统中,要实现对小车速度进行实时检测及控制,尽可能使小车按照道路条件所允许的最高速度进行行驶.如图1是一个简化了的智能小车速度控制系统的方框图.依据具体小车的模型,参照飞思卡尔官方数据,直流电动机的数学模型可以用二阶系统的传递函数表示.根据驱动电机学和动力学公式,直流电机转速的数学模型引用王虎的论文《基于模糊自适应PI控制的智能车的设计与研究》中的数学模型为［4］∶时域响应分析是分析系统特性的重要方法之一,它是时间域研究中,在一定的输入信号的作用下系统输出随时间的变化情况.这种分析方法对学生来说直观、简便,易于理解.但是在传统的分析过程中,通常采用部分分式展开法把复杂的传递函数展开成典型环节的串并联形式,然后再利用拉普拉斯反变换,得出时域响应,这种方法计算量大、繁琐,对于数学基础比较差的学生,无疑增大了学习负担.采用MATLAB软件的控制系统分析工具箱可以很方便的实现对系统的时域分析［5］.具体操作为∶在MATLAB环境下,启动simu1ink,在新建的空白模型窗口中,搭建如图2所示的模型.然后依次点击too1s菜单→Contro1Design→LinearAna1ysis…,在弹出的窗口中点击1inearize mode1,就可以实现对系统的时域分析,在生成的曲线图上可以读出上升时间、调整时间、稳态值等重要的时域响应性能指标.系统响应曲线如图3所示.由响应曲线可以看出系统的动态过渡时间长,需要设计合理的控制器提高小车的速度.频率特性分析是经典控制理论中研究和分析系统特性的主要方法.利用此方法,将传递函数从复数域引到具有明确物理概念的频域来分析系统的特性是极为有效的.它是一种对控制系统图解的分析方法,具有形象、直观、简便和计算量少的特点.利用MATLAB的M文件可以很方便的绘制出系统的频率特性图.具体的程序代码如下∶num＝71218；den＝［1 475 32］；subP1ot（121）；bode（num,den）；subP1ot（122）；nyquist（num,den）；生成的系统频率特性图如图4所示.系统的转折频率为0.019 rad/sec,由nyquist曲线可以看出曲线不包围（-1,j0）点,系统稳定.控制器的设计主要是以PID控制器为基础,在simu1ink环境下构建系统的模型,按照PID参数整定的方法可以方便的实现PID控制器参数的设计.这里采用4∶1衰减曲线法整定调节器参数.首先采用纯比例度作用下的自动调节系统,在比例度逐渐减小时,出现4∶1衰减振荡过程,此时比例度为4∶1衰减比例度δs,两个相邻同向波峰之间的距离为4∶1衰减操作周期TS.通过实验得出智能小车系统中当比例系数为14时,响应曲线出现4∶1衰减,如图5、图6所示.由图6曲线可以读出TS＝0.006 43,此时比例度δS＝14.针对智能小车控制系统对其速度控制通过实验证明采用PI控制器即可实现小车的速度的快速调节.依据表1,得出PI参数为KP＝0.2×δS＝2.8,Ti＝0.5× TS＝0.003 22.此时小车的响应曲线图如图7所示.比较图1和图7,可以让学生清晰的明白控制器的加入对系统控制的重要性.将系统仿真技术融入到《控制工程基础》的理论与实践教学中,利用最合适的教学典型工程案例实现仿真,即丰富了课堂的教学内容,改善了教学效果,又易于学生理解和领会控制理论中的抽象内容,激发了学生的学习兴趣,调动了学生的学习积极性,节约教学硬件设备的同时培养了学生的创新能力,对提高学生分析问题、解决问题的能力培养也起到了及其重要的作用.【相关文献】［1］王伟,申爱明,林顺英,等.MATLAB在《控制工程基础》课程中的应用［J］.安徽师范大学学报∶自然科学版,2011,34（2）：142-144.［2］蔡述庭.智能汽车竞赛设计与实践［M］.北京∶北京航空航天大学出版社,2012.［3］袁明新,王琪,洪磊,等.机械控制工程中案例化教学的改革及实践［J］.当代教育理论与实践,2012,4（5）：137-139.［4］王虎,郎朗,余雪玮,等.基于模糊自适应PI控制的智能车的设计与研究［J］.安徽工程大学学报,2013,28（1）：44-47.［5］杨秀萍,郭悦虹,王收军.Mat1ab仿真在《控制工程基础》教学中的应用［J］.制造业自动化,2011,33（4）∶58-59.。