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MATLAB和Proteus在《自动控制原理》教学中的应用 《自动控制原理》 是电气工程及其自动化专业的一门重要专 业基础课。 [1][2] 该课程理论性强、控制模型抽象，学生学习理 解难度较大， 其中， “控制系统的校正与设计”这部分内容表现 尤为突出。 为了激发学生对这部分内容的学习兴趣， 采用 MATLAB 和 Proteus 软件进行实际电路建模和输出结果仿真， 可以极大地 帮助学生对该知识点的理解和掌握。本文将针对 MATLAB和 Proteus 软件在《自动控制原理》教学中的应用进行一些探索， 并给出实际的应用例子。 MATLAE和Proteus软件简介 MATLA软件是目前使用最为广泛且功能最为强大的仿真软 件之一，其内部的工具箱 Simulink和SimPowerSystems可以方 便地实现一般电子电路的设计与仿真。 [3] 然而，在教学中，由 于MATLAB件中没有集成运算放大器、单片机等模块，就给建 立相关电路模型带来极大的不便。 为了弥补这一缺陷， 可以采用 Labcenter 公司开发的 Proteus 软件实现这一功能，以实现两种 软件之间的优势互补，从而使教学效果达到最好。 Proteus 可以 实现模拟电路、 数字电路、 单片机电路及电力电子电路的设计与 仿真，功能非常强大。 [4][5] 采用 Proteus 软件对电路进行设计 和仿真时， 只需按照实际电路连接相应的元器件即可， 而且可以 通过示波器直接观察输出响应波形， 操作非常方便。 另一方面， 由于MATLAB^件兼容Proteus软件的输出仿真数据，这样就有 利于两种软件的数据交换，以达到互补使用的功效。 MATLAB和Proteus用于“控制系统的校正与设计”教学 实例 “控制系统的校正与设计”章节是 《自动控制原理》 课程教 学中的一个重要内容，也是一个学生难以理解和掌握的知识点。 采用MATLA岳口 Proteus软件可以使这部分教学内容更具体、更 形象， 从而帮助学生对这一教学难点的理解。 下面就以一个简单 的例子，具体分析 MATLAB Proteus软件分别在该章节教学中 的应用情况。 首先设校正前和校正后的系统结构分别如图 1 和图 2 所示， 其中传递函数为串联超前校正网络。 图 1 校正前控制系统结构图 图 2 校正后控制系统结构图 为了研究串联超前校正网络对系统动态性能的改善情况， 同 时分析MATLAB件和Proteus软件在仿真研究中各自的优缺点， 下面将分别采用两种软件对图 1 和图 2 所示系统进行研究。 2.1采用MATLAB^件进行建模和仿真分析 在MATLAB勺Simulink环境下建立系统的仿真模型，如图 3 所示。为了便于观察校正网络对系统性能指标的改善情况， 分别 将校正前系统（图 3 上半部分）和校正后系统（图 3 下半部分） 的阶跃响应送入同一个示波器中进行观察。 图3 MATLAB环境下系统的仿真模型 仿真模型建立后， 就可以进行仿真分析， 仿真结果如图 4 所 示。从图 4 中可以清楚的看出：采用串联超前校正后的系统，其 参数上升时间、 调节时间和超调量均比校正前系统大为减小， 即 串联超前校正很大程度上改善了控制系统的动态性能指标。 图4 MATLAB环境下系统的阶跃响应对比图 从上述的建模过程可以看出，通过MATAL的Simulink环境， 可以让学生清楚观察到控制系统校正前和校正后模型上的差别， 从而加深对串联超前校正结构和传递函数的理解。 同时， 仿真结 果也可以让学生直观地观察并得出结论： 串联超前校正的作用是 改善控制系统的动态性能， 即对控制系统上升时间、 超调量和调 节时间等性能指标的改善。 另一方面，从图3中系统的MATLAB模型可以看出，MATLAB 软件虽然能够方便地建立整个系统的控制模型， 然而并不能让学 生形象地了解这些模型所对应的具体电路， 造成学生对内容似懂 非懂的情况， 这是造成学生学习该节时理解困难的重要原因。 下 面将采用 Proteus 软件对同样内容进行仿真分析。 2.2 采用 Proteus 软件进行建模和仿真分析 基于MATLAB^件的建模和仿真分析可以较好地帮助学生理 解具有校正环节的控制系统结构。 然而，学生仍然对校正网络的 具体电路知之甚少， 为了使校正网络具体化， 激发学生对这部分 内容的学习兴趣， 可以采用 Proteus 软件建立实际电路模型， 使 学生从抽象的校正网络传递函数中解脱出来。 在 Proteus 环境下 建立图 3所示模型的具体电路如图 5 所示。 图 5 Proteus 环境下与图 3 对应系统的仿真模型 从图5中可以清楚地观察由 R18 R19 R20和C5构成的超 前校正网络电路结构，从而揭开学生对串联超前网络的