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摘要:随着科学技术的迅猛发展,计算机的应用越来越普及,计算机仿真技术越来越广泛地用于控制系统的分析与设计。在自动化专业大部分课程的实验教学环节中使用了MATLAB计算仿真软件。对此软件的熟练掌握和应用有助于学生更好地综合理解自动化专业多门主干课程的内容,发挥自主创造性和主观能动性,有助于激励学生的创新思维。
关键词:自动化专业;MATLAB仿真;创新性人才
作者简介:李姿(1982-),女,辽宁沈阳人,沈阳理工大学应用技术学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:电力电子、计算机控制相关的教学。(辽宁 抚顺 113122)
国内各院校的自动化专业在课程设置上不尽相同,有各自的优势与特色,但是总的来说,自动化专业的主要专业基础课程和专业课通常包括“自动控制理论”、“现代控制理论”、“电机及拖动基础”、“直流调速系统”、“微型计算机原理”、“计算机控制系统”、“交流调速系统”、“电力电子技术”、“PLC与电器控制技术”、“控制系统计算机仿真”等等,这些课程在理论讲授的同时都需要实践环节予以辅助。以往的专业课实践教学内容大多安排验证性实验,受实验场所和实验设备的影响,学生对实验的内容比较模糊,学过的课程内容不能与实践内容相结合,对知识的概念和结论仍然感觉抽象,缺少感性认识,不利于培养学生的学习热情和创新能力。如何提高学生学习的兴趣和积极性,增强他们对知识的理解和掌握,培养学生综合应用所学知识解决实际问题的能力成为实践教学环节要解决的关键问题。
科学技术的发展突飞猛进,自动化领域的知识结构和技术手段也随之不断进步。随之而来的,在自动化专业教学实践环节中,新的教学方法和新的辅助教学手段不断出现。各种计算机辅助设计和仿真软件的出现给自动化专业教学实践环节课程内容的开展提供了强大的工具平台。
一、MATLAB仿真计算软件的优点及应用性
MATLAB是一个包含多工程计算、仿真功能及工具的庞大系统,是目前世界上最流行的仿真计算软件。国内外很多高校在教学与研究中都将MATLAB软件作为首选的计算机工具。许多国内外控制类教材中除了包含传统的实验内容外,还都添加了MATLAB仿真内容。可见,将MATLAB引入自动化专业实践教学中,是当前国际上发展的方向和趋势。
MATLAB仿真计算软件主要功能特点如下:
(1)数字计算、符号计算功能,运算效率高,语言简单,将用户从繁杂的计算中解脱出来。
(2)友好的用户界面及接近数学表达式的自然化编程语言,编程简单直观。
(3)功能丰富的应用工具箱和函数库,可扩展性强,用户可以编辑自己的函数工具。
(4)完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化。
(5)Simulink动态建模与仿真系统包含丰富而功能强大的器件库,仿真手段实时方便。
基于MATLAB的以上功能,许多自动化专业课程的实践环节都可以开展MATLAB仿真实验。
二、MATLAB软件在自动化专业课程实践环节中的应用
MATLAB仿真计算功能非常强大,基本上全部的自动化专业的课程都可以应用其进行仿真实验。例如,“自动控制原理”课程中涉及二阶系统稳定性内容,利用MATLAB/Simulink构造一个二阶控制系统的模型,通过选择不同的阻尼比,可以看到对于单位阶跃输入,系统的响应是不一样的。形象生动、令人印象深刻,可以加深学生对这个知识点的理解。
MATLAB/Simulink的PSB(电力系统模块)中包含直流电机、异步电机、同步电机、永磁同步电机等各种类型电机的仿真模块,也有晶闸管、整流二极管、MOSFET、IGBT等各种电力电子器件以及各种电路元件的仿真模块,可以非常方便地构造“电机及拖动基础”、“直流调速系统”、“交流调速系统”、“电力电子技术”等课程相关内容的仿真模型。
现以“计算机控制系统”课程中的最少拍控制系统内容为例来具体说明。最少拍控制系统是指系统在典型输入信号(阶跃信号、速度信号、加速度信号等)作用下,经过有限拍使系统输出的系统稳态误差为零,它实质上是实现最优控制系统,系统的性能指标就是系统调节时间最短,即对闭环Z传函要求快速性和准确性。在理论课程的讲述中先简要介绍理论知识,后结合实际例题对最少拍控制系统做详细的阐述,力图在例题中将这部分重要内容掌握。理论课程后安排一次实践环节,应用MATLAB/Simulink软件对本部分内容的理论知识加以巩固。
实践环节中教师指导学生根据最少拍控制系统框图,如图1所示,进行仿真模型的建立。分别建立起三种不同典型信号的同一个被控对象的最少拍控制系统,对每个模型进行合理的参数设置,其中单位阶跃信号输入时的最少拍控制系统如图2所示。
通过系统模型仿真,得出系统的波形图,如图3所示。通过建立仿真模型的示波器中的输出波形可以非常直观地得出和理论知识一致的结论:经过计算,单位阶跃信号输入时,在一拍以后系统输出等于输入,符合最少拍系统设计的要求。从波形图的直观显示上,可以使学生在感性上快速理解和掌握理论课上的内容。学生也可通过仿真实验自己建立仿真模型,在建模的过程中加入自己的设计思想,可以使学生对课程内容加以扩展,达到教学效果。
仿真实验也使学生学会将若干门课程内容融会贯通。通过仿真实验使学生将经典控制理论、现代控制理论等多门课程的知识联结贯穿,同时也增强了学习兴趣以及探索与创新的动力。计算机仿真为提高自动化专业课程的教学质量起到了很好的作用。
三、对自动化专业发展方向、课程设置及实践教学方法的展望
在21世纪的今天,使用计算机的能力是衡量大学生综合素质的一个极其重要的方面。加强培养学生使用计算机进行控制系统设计的能力,对于提高学生的竞争力无疑具有重要的意义。现在各个高等学校的自动化专业都在进行各种教学改革,更新教学内容,提高教学质量,以适应21世纪对于高素质自动化专业技术人才的要求。而在各主干课程的教学过程中,适当增加一些系统仿真内容,对于提高教学质量以及学生应用计算机的能力将大有帮助。
为了适应现代教育发展的需要,实践环节教学必须不断更新教学方法与教学手段,深化教学改革。MATLAB能够快速、方便、廉价地设计并构造出各种控制系统,提供一个强大的工具和工作平台,应用MATLAB仿真计算软件开展实践环节教学,可以任意进行参数的调整,体现了仿真实验的方便性和灵活性,解决了高校因缺少资金筹建复杂模拟控制系统实验室的困难,降低了教学成本,拓展了学生的思维,生动形象地吸引学生的注意力,极大地推动启发性、诱导性教学,使教学质量进一步得以提高。
参考文献:
[1]王正林,王胜开,陈国顺.MATLAB/Simulink与控制系统仿真[M].北京:电子工业出版社,2005.
[2]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京:机械工业出版社,2006.
[3]吴天明,谢小竹,彭彬.MATLAB电力系统设计与分析[M].北京:国防工业出版社,2004.
[4]贺廉云.以仿真软件为实验平台的自动化专业实验课程体系改革与探索[J].商场现代化,2008,(22).
[5]赵亦欣,唐雁,黄伟.自动化专业实验教学与工程应用整合的探究[J].西南师范大学学报(自然科学版),2009,34(1).
(责任编辑:麻剑飞)
关键词:自动化专业;MATLAB仿真;创新性人才
作者简介:李姿(1982-),女,辽宁沈阳人,沈阳理工大学应用技术学院,讲师,工学硕士,主要研究方向:电力电子、计算机控制相关的教学。(辽宁 抚顺 113122)
国内各院校的自动化专业在课程设置上不尽相同,有各自的优势与特色,但是总的来说,自动化专业的主要专业基础课程和专业课通常包括“自动控制理论”、“现代控制理论”、“电机及拖动基础”、“直流调速系统”、“微型计算机原理”、“计算机控制系统”、“交流调速系统”、“电力电子技术”、“PLC与电器控制技术”、“控制系统计算机仿真”等等,这些课程在理论讲授的同时都需要实践环节予以辅助。以往的专业课实践教学内容大多安排验证性实验,受实验场所和实验设备的影响,学生对实验的内容比较模糊,学过的课程内容不能与实践内容相结合,对知识的概念和结论仍然感觉抽象,缺少感性认识,不利于培养学生的学习热情和创新能力。如何提高学生学习的兴趣和积极性,增强他们对知识的理解和掌握,培养学生综合应用所学知识解决实际问题的能力成为实践教学环节要解决的关键问题。
科学技术的发展突飞猛进,自动化领域的知识结构和技术手段也随之不断进步。随之而来的,在自动化专业教学实践环节中,新的教学方法和新的辅助教学手段不断出现。各种计算机辅助设计和仿真软件的出现给自动化专业教学实践环节课程内容的开展提供了强大的工具平台。
一、MATLAB仿真计算软件的优点及应用性
MATLAB是一个包含多工程计算、仿真功能及工具的庞大系统,是目前世界上最流行的仿真计算软件。国内外很多高校在教学与研究中都将MATLAB软件作为首选的计算机工具。许多国内外控制类教材中除了包含传统的实验内容外,还都添加了MATLAB仿真内容。可见,将MATLAB引入自动化专业实践教学中,是当前国际上发展的方向和趋势。
MATLAB仿真计算软件主要功能特点如下:
(1)数字计算、符号计算功能,运算效率高,语言简单,将用户从繁杂的计算中解脱出来。
(2)友好的用户界面及接近数学表达式的自然化编程语言,编程简单直观。
(3)功能丰富的应用工具箱和函数库,可扩展性强,用户可以编辑自己的函数工具。
(4)完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化。
(5)Simulink动态建模与仿真系统包含丰富而功能强大的器件库,仿真手段实时方便。
基于MATLAB的以上功能,许多自动化专业课程的实践环节都可以开展MATLAB仿真实验。
二、MATLAB软件在自动化专业课程实践环节中的应用
MATLAB仿真计算功能非常强大,基本上全部的自动化专业的课程都可以应用其进行仿真实验。例如,“自动控制原理”课程中涉及二阶系统稳定性内容,利用MATLAB/Simulink构造一个二阶控制系统的模型,通过选择不同的阻尼比,可以看到对于单位阶跃输入,系统的响应是不一样的。形象生动、令人印象深刻,可以加深学生对这个知识点的理解。
MATLAB/Simulink的PSB(电力系统模块)中包含直流电机、异步电机、同步电机、永磁同步电机等各种类型电机的仿真模块,也有晶闸管、整流二极管、MOSFET、IGBT等各种电力电子器件以及各种电路元件的仿真模块,可以非常方便地构造“电机及拖动基础”、“直流调速系统”、“交流调速系统”、“电力电子技术”等课程相关内容的仿真模型。
现以“计算机控制系统”课程中的最少拍控制系统内容为例来具体说明。最少拍控制系统是指系统在典型输入信号(阶跃信号、速度信号、加速度信号等)作用下,经过有限拍使系统输出的系统稳态误差为零,它实质上是实现最优控制系统,系统的性能指标就是系统调节时间最短,即对闭环Z传函要求快速性和准确性。在理论课程的讲述中先简要介绍理论知识,后结合实际例题对最少拍控制系统做详细的阐述,力图在例题中将这部分重要内容掌握。理论课程后安排一次实践环节,应用MATLAB/Simulink软件对本部分内容的理论知识加以巩固。
实践环节中教师指导学生根据最少拍控制系统框图,如图1所示,进行仿真模型的建立。分别建立起三种不同典型信号的同一个被控对象的最少拍控制系统,对每个模型进行合理的参数设置,其中单位阶跃信号输入时的最少拍控制系统如图2所示。
通过系统模型仿真,得出系统的波形图,如图3所示。通过建立仿真模型的示波器中的输出波形可以非常直观地得出和理论知识一致的结论:经过计算,单位阶跃信号输入时,在一拍以后系统输出等于输入,符合最少拍系统设计的要求。从波形图的直观显示上,可以使学生在感性上快速理解和掌握理论课上的内容。学生也可通过仿真实验自己建立仿真模型,在建模的过程中加入自己的设计思想,可以使学生对课程内容加以扩展,达到教学效果。
仿真实验也使学生学会将若干门课程内容融会贯通。通过仿真实验使学生将经典控制理论、现代控制理论等多门课程的知识联结贯穿,同时也增强了学习兴趣以及探索与创新的动力。计算机仿真为提高自动化专业课程的教学质量起到了很好的作用。
三、对自动化专业发展方向、课程设置及实践教学方法的展望
在21世纪的今天,使用计算机的能力是衡量大学生综合素质的一个极其重要的方面。加强培养学生使用计算机进行控制系统设计的能力,对于提高学生的竞争力无疑具有重要的意义。现在各个高等学校的自动化专业都在进行各种教学改革,更新教学内容,提高教学质量,以适应21世纪对于高素质自动化专业技术人才的要求。而在各主干课程的教学过程中,适当增加一些系统仿真内容,对于提高教学质量以及学生应用计算机的能力将大有帮助。
为了适应现代教育发展的需要,实践环节教学必须不断更新教学方法与教学手段,深化教学改革。MATLAB能够快速、方便、廉价地设计并构造出各种控制系统,提供一个强大的工具和工作平台,应用MATLAB仿真计算软件开展实践环节教学,可以任意进行参数的调整,体现了仿真实验的方便性和灵活性,解决了高校因缺少资金筹建复杂模拟控制系统实验室的困难,降低了教学成本,拓展了学生的思维,生动形象地吸引学生的注意力,极大地推动启发性、诱导性教学,使教学质量进一步得以提高。
参考文献:
[1]王正林,王胜开,陈国顺.MATLAB/Simulink与控制系统仿真[M].北京:电子工业出版社,2005.
[2]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京:机械工业出版社,2006.
[3]吴天明,谢小竹,彭彬.MATLAB电力系统设计与分析[M].北京:国防工业出版社,2004.
[4]贺廉云.以仿真软件为实验平台的自动化专业实验课程体系改革与探索[J].商场现代化,2008,(22).
[5]赵亦欣,唐雁,黄伟.自动化专业实验教学与工程应用整合的探究[J].西南师范大学学报(自然科学版),2009,34(1).
(责任编辑:麻剑飞)