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Automatic Control
电子技术与软件工程
Electronic Technology & Software Engineering
1 引言
《自动控制原理》是自动控制学科的基础理论，是讨论和研究控制系统一般规律的课程。大多数高校理工科专业都开设了该课程，其内容主要涉及经典控制理论，用到的数学工具主要是微分方程和传递函数，内容抽象乏味，学生学习积极性一直不是很高。在第一章绪论部分，很多任课教师都会介绍自动控制系统的概念和分类；自动控制系统的分类方式有很多，最常见的是将其分为开环控制系统与闭环控制系统。在课堂教学中，任课教师大多只是简单介绍一下开环与闭环控制的概念以及优缺点，而大多数学生对该知识点的理解也仅仅停留在概念上，死记硬背其特点及优缺点，并没有很好地理解清楚开环控制与闭环控制的作用，甚至有些学生到最后期末考试了，还分不清楚什么是开环控制，什么是闭环控制。 s3800
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为了解决这个问题，本文设计了基于MATLAB 的电阻炉温度控制系统实验。设计采用阶跃信号作为开环和闭环控制系统的输入，通过其过渡过程来分析系统的暂态与稳态性能指标；系统达到稳态时，给系统一个干扰信号来研究系统的抗干扰能力。学生做实验时可以把这两种情况分别进行仿真和比较，学生可以直观地看到两种控制方式的不同效果，使学生可以更好地理解与掌握自动控制系统开环与闭环控制的特点及优缺点。通过做实验可以提高学生的学习效率，增加学习兴趣。2 被控对象的数学模型很多学生对自动控制原理课程的印象是抽象的公式和复杂的数学模型，以至于有些学生快结课了，也还没有弄明白自己学了什么，有什么用，他们不知道如何将自己学到的理论知识和工程实践相结合。因此本实验设计以某工厂实际使用的电阻炉为被控对象，其示意图如图1所示，被控对象是由电炉容器、电阻丝和热电偶组成。热电偶是传感器，电阻丝是执行器，做实验时学生只需要设计控制方式和控制器即可。
方便让学生理解，提高学习效率，可以把被控对象的数学模型抽象为
，其传递函数由惯性环节和纯迟延环节组成。为了方便做实验，设定T=20为惯性时间常数，τ=2为电阻炉纯迟延时间。3 开环控制系统实验设计
开环控制是最简单的控制，信号只有前向通路，因此开环控制系统实验的设计比较简单，其控制方框
图如图2所示。
基于MATLAB 的开环与闭环控制系统实验设计
李境达 肖文君 程桂仙
（贵州师范大学物理与电子科学学院 贵州省贵阳市 550001）
系统由控制器和被控对象组成，被控量是炉温，干扰主要是来自于外界环境温度的变化。
接下来根据设计的控制方框图，在Matlab 软件中点击Simulink 按钮，在打开的窗口中新建Model 文件，到仿真所需要的模块，然后将模块拖入文件当中，完成仿真框图的搭建，如图3所示。做实验时可以用示波器来观察系统的输出，仿真图中增加了Workspace 模块，目的是将实验数据暂时存储下来，方便后面在Matlab 中画图时调用。
首先分析系统的阶跃响应，设系统的初始状态为零，给定的目标值为150℃。PID 控制器比例系数设为1，其他系数0，仿真的时间设为300秒，观察系统的输出。通过示波器可以观察到，系统在135秒时就达到了150℃，控制效果很不错。
接着观察系统在稳态时的抗干扰能力，在做系统阶跃响应时，
摘 要：本文设计了电阻炉温度控制系统实验，分别用开环和闭环两种控制方式对其温度进行控制；通过研究系统阶跃响应曲线和稳态情况下系统克服外界干扰过程曲线来验证控制作用的效果。通过这个实验，学生可以直观地看到两种控制方式的不同效果，可以更好地理解与掌握自动控制系统开环与闭环控制的特点。
关键词：MATLAB；开环控制；闭环控制●基金项目：贵州省教育科学规划课题(2020C034)；贵州师范大学校级教学内容和课程体系改革项目([2020]XJJG 第17号)；贵州省科技厅自然科学基金项目（黔科合基础
-ZK[2021]
一般302）。
图3：开环控制系统仿真图
图2：开环控制系统方框图图1：被控对象示意图
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卡环弯制自动化控制Automatic Control
电子技术与软件工程
Electronic Technology & Software Engineering
观察到系统在135秒时就进入了稳态，因此把仿真时间设为300秒，在第200秒处加入干扰信号即可，干扰是一个阶跃信号，幅值为
10，通过示波器可以观察到系统的输出。电动汽车动力
为了分析和比较这两次实验的结果，在第一次仿真结束后，可以在Matlab 命令窗口输入命令a=simout ，将数据赋值给a ；同样在第二次实验结束时，输入命令b=simout ，将数据赋值给b ，这样就可以调
用画图函数进行画图了，最后的仿真结果如图4所示。
从图4中可以明显地看到，当不加干扰时，系统在135秒时就达到了150℃，说明开环控制的效果很不错。当系统稳定后，在第200秒处加入干扰，那么系统的输出与设定值之间的误差很大且不能消除，说明开环控制系统没有抗干扰能力。4 闭环控制系统实验设计
在原来开环控制系统的基础上，再加上反馈即可构成简单的单回路闭环控制系统，其控制方框图如图5所示。
仿真框图如图6所示。和开环控制的实验过程一样，目标值设为150℃，时间为300秒；PID 控制器比例系数设为1，积分系数
为0.08，微分系数为0；第一次仿真不加干扰，第二次仿真在时间为200秒处加入干扰，幅值为10，结果如图7所示。
从图7的实验结果中可以明显地看到，当不加干扰时，系统输出有了一定的超调量，但是在120秒时就稳定到了150℃。当系统稳定后，在第200秒处加入干扰，系统的输出有波动，但是很快又稳定到了150℃，说明闭环控制系统具有很强的抗干扰能力。
5 结论
通过以上开环和闭环控制的两个实验，学生可以很清楚地看到开环控制最简单，只有一个前向通路，反应快、易维护、稳定性好，缺点就是没有抗干扰能力；闭环控制系统具有反馈回路，有很好的抗干扰能力，但系统出现了超调量，因此稳定性不如开环控制。学生可以在自己的电脑上动手做实验来验证理论课上的知识点，不仅可以锻炼动手能力，还能提高学习效率。参考文献
[1]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社,2013.[2]刘金颂，张庆阳，苏晓峰，杨蕾.Matlab 软件在自动控制
原理实验中的应用[J].实验技术与管理,2014,31(06):138-140+145.小型洗衣粉生产设备
[3]吕勇.MATLAB 在《自动控制原理》课程教学中的应用探讨[J].
现代计算机,2020(01):72-74.
[4]张敏.开环与闭环控制系统优缺点浅析[J].科技与企
业,2014(17):118+121.
[5]潘建伟.基于MATLAB 的自动控制原理虚拟实验平台[J].电子
技术与软件工程,2021(03):47-48.
[6]夏百花，韦颖，方飞.基于Matlab 的电阻炉温度控制系统设
计及仿真比较[J].无线互联科技,2020,17(11):36-37+50.作者简介
李境达（1986-），男，河北省邯郸市人。硕士，实验师。研究方向为先进控制理论及应用。
肖文君（1985-），男，河北省尚义县人。博士，副教授。研究方
向为教育信息化。
程桂仙（1986-），女，山西省平遥县人。博士，副教授。研究方向为射频技术、携能通信、载波索
引调制。
图4：开环控制系统实验结果仿真图
图5：闭环控制方框图
图6：闭环控制系统仿真图
图7：闭环控制系统实验结果仿真图
>电力系统谐波分析
