MATLAB在自動化專業畢業設計教學環節中的應用

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展，計算機已經成為進行科學研究工作的必須工具。為了加強自動化專業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，以自動化專業本科畢業設計的教學環節為實例，重點闡述MATLAB仿真技術在磁懸浮球控制系統設計中的應用。研究結果表明，在自動化專業畢業設計教學環節中應用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設計的思想以及自動化專業的相關知識點，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;仿真;畢業設計

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已經成為《自動控制原理》，《現代控制理論》，《數字信號處理》以及《控制系統仿真》等自動化專業相關課程的教學內容。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，則會節約相關的實驗成本，甚至會實現物理實驗所不能實現或難以實現的功能，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是一個進行動態系統建模，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，非線性系統，離散系統以及連續系統等。學生可以通過MATLAB軟件來完成對控制系統的仿真研究，更好地完成畢業設計工作。通過仿真研究來調動學生的積極性，激發靈感，而且可以避免一些實際實驗的危險性。因此，使用MATLAB對于自動化專業學生從事控制系統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在對磁懸浮球系統的仿真研究，并以畢業設計專業教學環節為案例，詳細介紹MATLAB仿真軟件在自動化專業畢業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

為了便于分析和設計控制系統，首先需要根據實際的物理關系建立系統的數學模型。本文所建立的數學模型是根據圖1所示的磁懸浮球系統動力學方程、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在畢業設計教學中的實際應用

本節選擇PID控制器用于上節介紹的磁懸浮球系統中，并分析MATLAB仿真軟件在自動化專業畢業設計中的應用。以畢業論文中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仿真模型的搭建，而且能夠使學生加深對控制系統的理解。

4 結語

通過本次畢業設計可以看出，學生在建立控制系統模型基礎上，利用功能強大的MATLAB仿真軟件實現了控制系統的仿真模型的建立。設計了系統仿真分析方法，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.