MATLAB在自动化专业毕业设计教学环节中的应用

徐文权 胡慧 杨伟 刘娟 李彦梅

摘 要：随着科学技术以及人工智能的飞速发展，计算机已经成为进行科学研究工作的必须工具。为了加强自动化专业学生的理论与实践相结合的能力，为今后的工作打下坚实的基础。本文在介绍MATLAB软件相关知识的基础上，以自动化专业本科毕业设计的教学环节为实例，重点阐述MATLAB仿真技术在磁悬浮球控制系统设计中的应用。研究结果表明，在自动化专业毕业设计教学环节中应用MATLAB仿真技术是非常有必要的，使用仿真技术可以让学生更直观地掌握控制系统设计的思想以及自动化专业的相关知识点，从而可以提高学生分析问题和解决问题的能力。

关键词：MATLAB;自动化;控制系统;仿真;毕业设计

基金项目：安庆师范大学校级质量工程重点立项（项目编号：2018aqnujyxm022，2019aqnujyxm16），安徽省一般教研項目（项目编号：2019jyxm0290，2018jyxm1028，2018jyxm0226），安徽省重大线上教学改革研究项目（项目编号：2020zdxsjg206），安庆师范大学校级质量工程项目（项目编号：2019aqnujyzc074，2019aqnujyzc025，2019aqnujyzc009，180006021）。

1 引言

近些年来，MATLAB已经成为科研以及工程实际应用中最重要的工具之一[1]。MATLAB已经成为《自动控制原理》，《现代控制理论》，《数字信号处理》以及《控制系统仿真》等自动化专业相关课程的教学内容。在一些控制的相关实验或设计中，如果直接对物理模型进行相关实验，则可能会造成实验成本的浪费、效率低以及通用性较差的缺点[2]。如果在进行具体控制实验前，先通过相关的计算机仿真软件，例如，MATLAB软件对真实情况进行模拟研究，则会节约相关的实验成本，甚至会实现物理实验所不能实现或难以实现的功能，从而能够提高实验效率。因此，使用MATLAB软件在控制系统的仿真研究中具有十分重要的意义。

MATLAB软件是一个包含很多工具箱，Simulink软件包以及功能模块的软件。Simulink是一个进行动态系统建模，仿真和综合分析的集成软件包。可以通过Simulink软件包来处理线性系统，非线性系统，离散系统以及连续系统等。学生可以通过MATLAB软件来完成对控制系统的仿真研究，更好地完成毕业设计工作。通过仿真研究来调动学生的积极性，激发灵感，而且可以避免一些实际实验的危险性。因此，使用MATLAB对于自动化专业学生从事控制系统的研究工作是一种十分必须的授课课程。

本文拟通过使用MATLAB在对磁悬浮球系统的仿真研究，并以毕业设计专业教学环节为案例，详细介绍MATLAB仿真软件在自动化专业毕业设计教学过程中的应用，阐明MATLAB软件可以提高学生动手能力以及科研水平。

2 磁悬浮球系统

为了便于分析和设计控制系统，首先需要根据实际的物理关系建立系统的数学模型。本文所建立的数学模型是根据图1所示的磁悬浮球系统动力学方程、电学、力学等相互关系为基础建立的。图1所示磁悬浮球系统的控制目的是使小球悬浮不动或者能够跟踪给定的参考信号。图1中的磁悬浮球实验装置主要由功率放大器，LED光源，电磁铁，光电传感器以及被控对象钢球组成[3]。

3 MATLAB在毕业设计教学中的实际应用

本节选择PID控制器用于上节介绍的磁悬浮球系统中，并分析MATLAB仿真软件在自动化专业毕业设计中的应用。以毕业论文中PID控制磁悬浮球为例，PID控制器用于控制磁悬浮球系统的物理模型控制仿真图形如图2所示，并分别采用方波信号和正弦信号作为输入信号。图2中的上图是采用方波信号作为输入信号，下图采用正弦信号作为输入信号。两种信号的控制效果如图3和图4所示。

从图3和图4可以看出，选择PID作为控制器用于磁悬浮球系统中，可以取得一定的控制效果。通过PID控制的实例，不但可以让学生学会控制系统仿真模型的搭建，而且能够使学生加深对控制系统的理解。

4 结语

通过本次毕业设计可以看出，学生在建立控制系统模型基础上，利用功能强大的MATLAB仿真软件实现了控制系统的仿真模型的建立。设计了系统仿真分析方法，仿真结果都可以通过具体实验来得到验证，对具体的实际用于具有很好的参考价值。MATLAB软件在自动化专业中有着广泛应用，通过软件仿真，不仅学生能深入理解课程内容，而且有助于老师及时掌握学生学习情况，并及时改进教学方法。

参考文献

[1]苏良昱，赵忠彪，师路欢.MATLAB在电气工程及其自动化专业教学中的应用研究[J].科技信息，2011（18）：11-11.

[2]刘独玉，邵仕泉.Matlab在电气工程及其自动化专业中的教学探讨[J].西南民族大学学报：自然科学版，2011（S1）：38-40.

[3]固高科技（深圳）有限公司.磁悬浮实验装置[M].深圳：固高科技有限公司.2006

[4]徐文权，唐飞，杨伟，等.基于案例教学法的自动控制原理课程教学研究[J].安庆师范学院学报（自科版），2017，023（004）：132-134.