利用MATLAB仿真改进《自动控制原理》课程的探索

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》课程的教学方法和教学形式、实验和实践教学环节进行探索和研究，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的方法，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： 《自动控制原理》 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，提高课程教学质量，取得更好的教学效果，笔者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，而且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。

另外，实验环节是《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，在实验箱面板上实现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一定程度地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》实验教学改革是笔者要实现的研究目标之一。

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

根轨迹分析法是经典控制理论中比较成熟的一种图解方法，它是指开环系统中某个参数从零变化到无穷时，闭环极点在复平面上的变化轨迹。利用根轨迹同样可以分析系统的暂态性能和稳态性能。显然，如果是手动求解特征方程，然后逐个画出参数对应某一个值时的闭环极点，再把这些点连成线构成根轨迹，计算量很大，计算过程也很复杂。即使能够绘制出系统的根轨迹，也只是个概略图。如果稍有差错，就会影响到学生对系统性能的判断，甚至产生误判。因此在授课过程中，任课老师迫切希望寻找到一种方法，既根据基本法则绘出粗略的根轨迹图，又方便快捷地得到准确的根轨迹图。

MATLAB控制系统仿真软件是一个对控制系统进行建模、分析和仿真的软件，具有较强的绘图能力，所以可以很好地解决这个问题。使用MATLAB软件提供的rlocus函数，就可以轻松绘制开环传递函数中某个参数在变化时的准确的根轨迹，这样将避免由于手工绘制根轨迹所带来的一些问题。另外，通过调用rlocfind函数，还能够轻松获取根轨迹上某一点所对应的闭环极点和开环增益，极大地减少计算工作量。

例如：绘制开环传递函数为G（s）=■的负反馈系统当K从0→∞变化时的根轨迹，可调用下列程序：

num=[1]；

den=[1？摇 3 ？摇2 ？摇0]；

rlocus（num，den）

程序执行后，所绘制根轨迹图如下图所示，从下图可以容易看出根轨迹的起点为0、-1、-2，终点3个∞，根轨迹条数为3条。如果鼠标在根轨迹上任选一点，都可以读出该点对应的闭环极点P和增益K，以及根轨迹的分离点和相应的根轨迹增益kg。当K从0→∞变化，两条根轨迹随着K的增大越过虚轴向右伸展，也就是说系统有一对闭环极点的实部是由负数逐渐变化到正数的，所以系统的稳定性是在变差，经临界稳定最后变得不稳定。由根轨迹图可以很方便地求出使系统稳定的开环增益K的取值范围。

图 MATLAB下线性系统的根轨迹图

五、结语

笔者利用MATLAB仿真改进《自动控制原理》课程教学，满足了《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，极大提高课堂效率、增强学生的动手能力，激发学生的学习兴趣。

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）.

通讯作者：姜莹endprint

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》课程的教学方法和教学形式、实验和实践教学环节进行探索和研究，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的方法，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： 《自动控制原理》 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，提高课程教学质量，取得更好的教学效果，笔者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，而且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。

另外，实验环节是《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，在实验箱面板上实现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一定程度地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》实验教学改革是笔者要实现的研究目标之一。

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

根轨迹分析法是经典控制理论中比较成熟的一种图解方法，它是指开环系统中某个参数从零变化到无穷时，闭环极点在复平面上的变化轨迹。利用根轨迹同样可以分析系统的暂态性能和稳态性能。显然，如果是手动求解特征方程，然后逐个画出参数对应某一个值时的闭环极点，再把这些点连成线构成根轨迹，计算量很大，计算过程也很复杂。即使能够绘制出系统的根轨迹，也只是个概略图。如果稍有差错，就会影响到学生对系统性能的判断，甚至产生误判。因此在授课过程中，任课老师迫切希望寻找到一种方法，既根据基本法则绘出粗略的根轨迹图，又方便快捷地得到准确的根轨迹图。

MATLAB控制系统仿真软件是一个对控制系统进行建模、分析和仿真的软件，具有较强的绘图能力，所以可以很好地解决这个问题。使用MATLAB软件提供的rlocus函数，就可以轻松绘制开环传递函数中某个参数在变化时的准确的根轨迹，这样将避免由于手工绘制根轨迹所带来的一些问题。另外，通过调用rlocfind函数，还能够轻松获取根轨迹上某一点所对应的闭环极点和开环增益，极大地减少计算工作量。

例如：绘制开环传递函数为G（s）=■的负反馈系统当K从0→∞变化时的根轨迹，可调用下列程序：

num=[1]；

den=[1？摇 3 ？摇2 ？摇0]；

rlocus（num，den）

程序执行后，所绘制根轨迹图如下图所示，从下图可以容易看出根轨迹的起点为0、-1、-2，终点3个∞，根轨迹条数为3条。如果鼠标在根轨迹上任选一点，都可以读出该点对应的闭环极点P和增益K，以及根轨迹的分离点和相应的根轨迹增益kg。当K从0→∞变化，两条根轨迹随着K的增大越过虚轴向右伸展，也就是说系统有一对闭环极点的实部是由负数逐渐变化到正数的，所以系统的稳定性是在变差，经临界稳定最后变得不稳定。由根轨迹图可以很方便地求出使系统稳定的开环增益K的取值范围。

图 MATLAB下线性系统的根轨迹图

五、结语

笔者利用MATLAB仿真改进《自动控制原理》课程教学，满足了《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，极大提高课堂效率、增强学生的动手能力，激发学生的学习兴趣。

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）.

通讯作者：姜莹endprint

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》课程的教学方法和教学形式、实验和实践教学环节进行探索和研究，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的方法，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： 《自动控制原理》 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，提高课程教学质量，取得更好的教学效果，笔者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，而且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。

另外，实验环节是《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，在实验箱面板上实现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一定程度地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》实验教学改革是笔者要实现的研究目标之一。

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

根轨迹分析法是经典控制理论中比较成熟的一种图解方法，它是指开环系统中某个参数从零变化到无穷时，闭环极点在复平面上的变化轨迹。利用根轨迹同样可以分析系统的暂态性能和稳态性能。显然，如果是手动求解特征方程，然后逐个画出参数对应某一个值时的闭环极点，再把这些点连成线构成根轨迹，计算量很大，计算过程也很复杂。即使能够绘制出系统的根轨迹，也只是个概略图。如果稍有差错，就会影响到学生对系统性能的判断，甚至产生误判。因此在授课过程中，任课老师迫切希望寻找到一种方法，既根据基本法则绘出粗略的根轨迹图，又方便快捷地得到准确的根轨迹图。

MATLAB控制系统仿真软件是一个对控制系统进行建模、分析和仿真的软件，具有较强的绘图能力，所以可以很好地解决这个问题。使用MATLAB软件提供的rlocus函数，就可以轻松绘制开环传递函数中某个参数在变化时的准确的根轨迹，这样将避免由于手工绘制根轨迹所带来的一些问题。另外，通过调用rlocfind函数，还能够轻松获取根轨迹上某一点所对应的闭环极点和开环增益，极大地减少计算工作量。

例如：绘制开环传递函数为G（s）=■的负反馈系统当K从0→∞变化时的根轨迹，可调用下列程序：

num=[1]；

den=[1？摇 3 ？摇2 ？摇0]；

rlocus（num，den）

程序执行后，所绘制根轨迹图如下图所示，从下图可以容易看出根轨迹的起点为0、-1、-2，终点3个∞，根轨迹条数为3条。如果鼠标在根轨迹上任选一点，都可以读出该点对应的闭环极点P和增益K，以及根轨迹的分离点和相应的根轨迹增益kg。当K从0→∞变化，两条根轨迹随着K的增大越过虚轴向右伸展，也就是说系统有一对闭环极点的实部是由负数逐渐变化到正数的，所以系统的稳定性是在变差，经临界稳定最后变得不稳定。由根轨迹图可以很方便地求出使系统稳定的开环增益K的取值范围。

图 MATLAB下线性系统的根轨迹图

五、结语

笔者利用MATLAB仿真改进《自动控制原理》课程教学，满足了《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，极大提高课堂效率、增强学生的动手能力，激发学生的学习兴趣。

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）.

通讯作者：姜莹endprint