MATLAB在《自动控制原理》课程中的应用

姜莹

摘 要：本文将控制系统仿真软件MATLAB与《自动控制原理》课程有机结合，利用MATLAB强大的图形表现能力，对《自动控制原理》课程课堂的教学方法和教学形式，实验和实践教学环节进行了探索和研究。提出把MATLAB/Simulink引入传统教学方法中，采用多种教学形式相结合等方法，在课堂教学和实验教学方面加以实施，最终达到提高《自动控制原理》课程教学质量的目的。

关键词：自动控制 系统仿真 MATLAB 实验实践 教学质量

一、引言

《自动控制原理》是高等学校信息类专业的一门主干课程，同时它也是一门理论性与实践性结合很强的专业课程。但由于课程内容抽象，计算性强，作图方法多，学生往往不易理解和掌握，甚至产生厌学情绪。为了在教学中充分调动学生的积极性，提高该课程教学质量，取得更好的教学效果，本文将控制系统仿真软件MATLAB与《自动控制原理》课程有机结合，把MATLAB/Simulink引入到传统教学方法中，实现《自动控制原理》课堂教学的图形化和交互化，这样不仅可以简化课堂授课的解题过程，也可以充分利用计算机强大的表现能力，把抽象的问题具体化，便于加深学生对抽象理论知识的理解和接受，有利于学生深入掌握该课程的实质。

另一方面，实验环节也是《自动控制原理》课程不可缺少的一部分。传统的《自动控制原理》实验一般仅采用自控实验箱，在实验箱面板上完成相应典型环节的连接，再通过示波器观察系统的响应曲线。这种单纯依赖自控实验箱的实验方式虽然可以在一定程度上锻炼学生的动手能力，但观察效果差，操作复杂，学生只能被动接受实验，实验设备高度集成化，可扩展和创新性差，不利于学生学习主动性和积极性的培养。因此，结合MATLAB仿真软件，克服传统《自动控制原理》模拟实验的局限性，扩展开发自控实验箱的可视化功能，利用MATLAB仿真技术促进《自动控制原理》实验教学改革也是本文研究目标之一。

二、利用MATLAB仿真改进《自动控制原理》课程教学主要研究内容

（1） 将课堂教学与MATLAB仿真工具相结合，利用MATLAB形象、生动的演示功能来推进演示性课堂教学的实施，使学生在文字描述的基础上结合MATLAB仿真的精确图形，更直观、更准确地理解自动控制原理课程理论中的基本概念。

（2） 利用MATLAB仿真软件改进《自动控制原理》课程实验内容，指导学生以MATLAB软件为仿真工具，用计算机解决《自动控制原理》课程中的相关知识点问题。实验过程中通过MATLAB语言编制交互性能良好的程序，加深学生对抽象理论知识的理解，增强学生分析问题、解决问题的能力。

（3） 借助MATLAB仿真软件完成创新性实验，让学生直观地进入实验的本质阶段，体味自动控制仿真的乐趣和创造性，起到激发学生科学创造性的作用。

三、利用MATLAB仿真改进《自动控制原理》课程教学研究的关键技术点

（1） 应用MATLAB进行模型处理；

（2） 利用MATLAB绘制线性控制系统的时域响应曲线，并结合MATLAB仿真结果分析系统时域特性；

（3） 利用MATLAB绘制线性控制系统的根轨迹图，并根据根轨迹图判断系统的稳定性；

（4） 利用MATLAB绘制线性控制系统的频域响应图（含Bode图及Nyquist曲线），并根据仿真结果研究、分析控制系统的频域特性；

（5） 应用MATLAB进行离散控制系统分析；

（6） 利用MATLAB软件的Simulink仿真工具箱，搭建一级直线倒立摆自动控制系统，并通过仿真实验分析研究系统特性。

四、利用MATLAB仿真改进《自动控制原理》课程解决问题举例

时域分析是线性控制系统中最基本的问题，其思路是分析在典型输入信号作用下，系统在时间域的响应（包括暂态响应和稳态响应）。传统解法就是在已知系统模型结构的基础上，求出在典型输入信号下系统输出的拉氏变换，再通过求解拉氏逆变换得出解析表达式，进而通过绘制响应曲线求得对应的暂态指标和稳态指标。显然，在运用解析法进行分析时，需要很多复杂的数学推导，并且往往伴随有大量的计算。如果将大量的时间用在计算和推导过程上，教学过程显得主次不清，而且有时候繁琐的运算会使学生感到枯燥，容易分神，甚至把太多注意力集中到运算上，从而忽略了对方法本身的理解。考虑到MATLAB强大的计算能力和绘图能力，可以直接用来辅助课堂教学，改善教学效果。

在线性控制系统的时域分析法中，MATLAB软件不仅提供了阶跃响应函数step、脉冲响应函数impulse等命令，而且还能够迅速地求出系统时域指标。例如：在对高阶系统进行性能分析时，通常采用的方法是主导极点法，即只考虑离虚轴最近而且附近又

没有零点的主导极点的影响，其他的零、极点都忽略不计。授课过程中，通常采用的做法是通过比较该高阶系统的单位阶跃响应曲线和只考虑其主导极点的低阶系统的单位阶跃响应曲线，去分析两个系统的各性能指标的差异。为了能够节省有限的课堂时间，这个时候就可以利用MATLAB软件来快速地绘制出相应的阶跃响应曲线，可以极大地节省课堂时间。

例如，欲求闭环传递函数为G（s）=10s2+2s+10的系统的阶跃响应曲线和指标。系统的阶跃响应曲线可以用MATLAB软件仿真出来（如图1所示）。由图1可以很容易地看出，这个系统的调节时间分别为3.21s和4.11s，峰值时间为1.05 s，最大峰值1.35，

超调量为35%。因此可见，利用MATLAB来辅助线性系统时域分析是可行的。

图1 MATLAB下线性系统的阶跃响应五、本文创新之处

（1） 授课过程中将MATLAB仿真与传统《自动控制原理》多媒体课件有机结合，

制作引入MATLAB仿真的新《自动控制原理》多媒体课件，简化解题过程，运用MATLAB强大的计算能力和绘图能力，直接辅助课堂教学，改善教学效果。

（2）上机实验环节，锻炼学生在教师指导下以MATLAB为工具，处理《自动控制

原理》课程中的时域分析、根轨迹分析和频域分析等重要问题，加深学生对抽象理论的理解。

（3）开发基于MATLAB仿真平台的直线一级倒立摆教学实验，在倒立擺实验箱基

础上以MATLAB为工具开展实验内容，有利于培养学生创新能力和解决实际问题能力。

六、总结

本文利用MATLAB仿真改进《自动控制原理》课程教学，解决了《自动控制原理》课程教学方法转换的迫切需求，且通过实践表明，教学效果令人满意，极大提高了课堂效率、增强了学生的动手能力，激发了学生的学习兴趣。

参考文献：

[1]刘军. 高职高专《自动控制原理》课程教学的研究. 现代企业教育，2007，（22）.

[2]陈旭，余国林. 自动控制原理探索与研究. 电气电子教学学报刊，2009， 10.

[3]刘文慧，袁金燕. 浅析《自动控制原理》课程教学改革. 职业时空，2011，07（11）.

该项目为沈阳化工大学教学研究基金项目，项目编号2012C36.