科ｆ教ｆ文ｆ化 技信息 ——黑龙江—— Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ在计算机控制技术课程教学中的应用 李姿德湘轶宋洋 （沈阳理工大学应用技术学院，辽宁抚顺１１３１２２） 摘要：计算机控制技术是电专业一门重要的课程，将ＭａｔｌａｂｋＳｉｍｕｌｉｎｋ引入计算机控制技术的课程教学内容中有着十分重要的作用，诸如模拟控制器 的离散化参数计算、响应曲线的描绘和控制系统仿真等应用。以最少拍控制器设计为例对其进行了仿真和分析，进一步说明应用该软件在教学中的重要性 及意义。 关键词：计算机控制；ＭＡＴ［ ＡＢ；仿真应用 引言 计算机控制技术是电气ｆＩ动化技术、俭测技术等 专业的－ｆ３重要专业核心课程。它涉及电路、电子技 术、自动控制原理及数学等多门学科，概念多、理论性 强、与工程实践联系密切。近年来，随着科学技术和仿 真软件的不断发展和完善，仿真软件逐渐渗透到计算 机控制技术课程的教学中。 ｌ课程教学的特殊性 《计算机控制技术》是汁算机技术、自动控制技 术、自 佥测与传感技术相结合的综合应用技术，是自 动化及相关专业的－ｆｌ主要专业课，具有承上启下的 作用。它涉及的基础理论和知识面较广，知识集成度 高，涉及电气、计算机、自动控制理论等综合知识，在专 业课程体系中占举足轻重的地位。正确处理本课程与 其他课程的关系以及他们之间的内在联系，形成完整 图Ｉ最少拍控制系统框图 图３控制器脉冲传函参数 、ｌ１ ，一 ｉ 而系统的知识体系，是本课程的主要作用。在讲授过程 中，综合有关课程的基本内容，将学生学到的知识通过 本课程有机结合在—起，也是本课程教学中责无旁贷 的任务。学生在学完本课程后，应了解并掌握如何理解 地选择和组织计算机控制系统的软件、硬件、外围设备 和接口通道以及控制管理生产过程的基本原理和方 法，将控制对象、硬件（计算机、传感器、通道和接口、执 行机构）和软件（系统软件以及各种应用软件）组织成 个有机的整体，形成完整的计算机控制系统，达到预 定的控制目的，再结合其他课程内容和毕业论文谢十＋ 可使学生具备一定得开 一２教学方法及教学手段 为适应人才培养的需要，要求学生能够独立思 考、善于进去、有创造性思维能力、能适应新形势发展 需要。因此，课程教学方法和教学手段的改革是摆在广 大教师面前十分重要的任务。目前，现代电化教学和多 媒体技术等手段已全面引人和高校的教学中，大大提 高了课堂教学质量。本课程在课堂教学中采用知识点 讲授、课堂讨论、仿真演示、工程实例分析等相结合的 教学方法。在教学手段上，开发了相关ｉ十算机辅助教学 软件，将传统教学方法与多媒体、Ｍａｔｌａｂ仿真等现代化 的手段相结合，相互弥补，使教学内容形象直观，易于 理解，教学过程更生动鲜明，提高ｒ教学效率，激发了 学生学习的主动 。 ３ Ｍａｔｌａ ｉｍｕｌｉｎｋ在本课程巾的应用 下面以最少拍数字控制器— 十为例说明Ｍａｔｌａｆｆ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ在本课程教学中的应用及计算机辅助教学的 优 。 ３．１最少拍控制器设计。所谓最少拍控制，是指在 特定输人（单位阶跃信号、速度信号、加速度信号等胙 用下，经过最少采样周期使系统的输出达到无静差 的稳定状态，又称为时间最优控制。 最少拍控制系统如图１所示，已知破控对象 传递函数为： １ｎ 图４最少拍有纹波控制系统仿真曲线 跃输入信号，Ｄｉｓｅｒｅ￣Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｅｎ为计算机控制器脉 图２最少拍控制仿真模型 冲传函，Ｚｅｒｏ－Ｏｒｄｅｒ Ｈｏｌｄ为零阶保持器，Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｃｎ Ｓｃｏｐｅ为示波器。其中控制器脉冲传函参 采样周期Ｔ＝ｌｓ，采用零阶保持器，针对单位 为被控对象，数如图３所示。由最少拍控制系统仿真曲线可以非常 阶跃输入设计最少拍有纹波系统。 直观的看到最少拍控制系统中各环节输出的波形，可 广义对象脉冲传递函数为： 以使学生更好的理解和掌握最少拍控制系统的设计内 Ｇ㈦：ｚ ：ｚＺ－１）（１ ０．３６７９ｚ ） 容及最终实现的结果的特点。 此例说明，如果只有理商十算而没有仿真图形， ３．２最少拍有纹波数字控制器设计。单位阶 学生是很难理解和掌握课程的知识点。因此，利用 跃信号作为输入，按最少拍控制设计理论得： ｌａｔ：／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｉ新亍计算机辅助教学，计算结果可以 根据稳定性要求，Ｇ（ｚ）中ｚ＝１的极点应包含在 Ｍａｔ形象、直观、生动，使学生很容易理解所学 中 ）的零点中，系统针对阶跃输入进行设计，ｑ＝１， 用图形表示，不但增ｎＩ１了教学信息量，而且对图形和课程中的 显然准确性条件中已满足了稳定性要求，于是可 知识，设∞０）＝ｚ，－Ｉ￣ｏ。，根据中（１）＝１求得‰＝１，则 ＝ｚ－ ， 重 和眭 可以反复指点和回顾，便于理解和掌握课 程内容。 （ｚ）＝１ （ｚ）＝１一Ｚ～， 结束语 Ｄｆｚ —ｌ＿ Ｌ一—０．２７１７（１—０．３６７９ｚ－￣）通过对《计算机控制技术》课程教学中教学改革 Ｇ（Ｚ）１～ 【ｚ） １＋０．７１８ｚ 的探讨，在教学方法、教学手段等方面做了一些尝试， 由控制理论得： ７ 一１ —１ 在教学实践过程取得了较好的教学效果。将简单易学 Ｅ（ｚ） ｅ（ｚ）Ｒ（ｚ） （ ｚ。。 舞 三 的Ｍａｔｌａｂ￣Ｓｉｍｕｌｉｎｋ语言应用于控制系统讲授中，不仅 使学生掌握－Ｉ＇Ｕｆｆ算机语言，而且通过将计算机技术 故数字控制器输出为： 与控制理论相结合，使之更深刻地理解仿真技术的实 ｕ（ｚ）：Ｅ（ｚ）Ｄ（ｚ）：—羔＿＿０＿．２７１７（１－０．３６７９ｚ－￣） １一ｚ １＋０． ７１８ｚ 用性和重要性。 ｝ｌ 生二＿ Ｓ ＋１） ３（．１．６．．７．．９．ｚ．－．．＇（．１．．．＋．．０．．７．．．１８．．ｚ．．—＇—） 。 输出信号的ｚ变换为： 参考文献 １ ｃ（ｚ）＝Ｒ（ｚ） （ｚ）＝ ｌ Ｚ ｚ 『１１王正帐王胜开．陈国顺ｍＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ与控制系 统仿真ｌＭ【北赢电子工业出版社２０Ｏ５． Ｇ （Ｓ）＝—二＝一 Ｓ（Ｓ＋１） 从上述表达式中可以看出，求解出的数字控 制器的输出Ｕ（ｚ）和输出信号Ｃｆｚ）的表达式都很复 杂，想要通过这些表达式说明最少拍控制器的原 理且使学生能够理解最少拍控制器的设计过程难 度很大，故在课程的讲解过程中将Ｍａｔｌａｂ／ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件引入。 ３ ３ Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ在本课程中的应用。最少 拍控制器理论数值计算出来后，学生只能看到表 达式，不容易加深理解和记忆，将Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 软件引入最少拍控制器设汁内容的讲解可以使学生直 观看到最后的结果，将结果可视化，有助于对本内容的 理解。为此，设计图２所示的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型，运行 后可以得出仿真曲线，如图４所示。其中ｓｔｅｐ为单位阶 黄坚自动控制原理及其应用ｌＭｌ北京：高等教育出版 社 ２ｏ０５． 【３］王锦标．计算机控制系统ｌＭｌ北京：清华大学出版社， ２ＯＯ４ 吕宏丽，张雅艳张国旭．ＭＡＴＬＡＢ在“控制系统仿真” 教学中的应用口塘山学院学报０００５，１８ 作者简介：李姿（１９８２一），女，讲师，现从事电 工基础、计算机控制相关的教学３２．作． ．德湘轶（１９８２一），女，讲师，现从事电力电子、 计算机控制相关的教学工作。 宋洋（１９８２～），女，助教，现从事电工基础、计 算机控制等实验教学工作。 一２０９—