基于Matlab的“自动控制原理”课程辅助教学探讨

吴宪祥，郭宝龙，闫允一，朱娟娟，孟繁杰

(西安电子科技大学 空间科学与技术学院ICIE研究所，陕西 西安 710071)

基于Matlab的“自动控制原理”课程辅助教学探讨

吴宪祥，郭宝龙，闫允一，朱娟娟，孟繁杰

(西安电子科技大学 空间科学与技术学院ICIE研究所，陕西 西安 710071)

针对“自动控制原理”课程传统教学中存在的概念抽象、理解困难等情况，借助Matlab强大的运算能力和数据可视化功能, 结合教学过程中的重点难点，搭建“自动控制原理”仿真实验平台。该平台利用Matlab工具对抽象的理论教学进行演示，有效地提高了教学的针对性和直观性，对“自动控制原理”课程教学改革具有良好的借鉴意义。

自动控制原理；Matlab；仿真实验平台；辅助教学

0 引言

“自动控制原理”是自动化(含传统的控制类专业)和电气信息类、机电类等专业的理论性很强的一门核心基础课程，它是学习“现代控制理论”、“过程控制”等本科后续课程的基础，也是学习“线性系统理论”、“自适应控制”、“智能控制”等研究生课程的基础，还是工业过程控制与优化设计的理论依据[1,2]。该课程的主要特点是知识覆盖面广、理论性和抽象性强、工程应用背景突出、计算量大、图形多而复杂等，因此难教、难学。

我院安排“自动控制原理”课程为48个学时，课时非常紧张。为此，我们在授课中将多媒体教学与传统教学相结合，充分发挥多媒体信息含量大、图文并茂及动画效果好的特点，丰富教学内容，同时发挥传统教学中教师言传身教的优势。

为进一步提高课堂教学效率，我们利用Matlab/GUI设计和开发了“自动控制原理”仿真实验平台，将其应用于该课程的辅助教学，对“自动控制原理”理论课程的重点和难点利用Matlab进行验证和仿真并可视化演示，加深学生对相关内容的理解，使学生摆脱复杂的数学推导，激发学生的学习兴趣，提升课堂教学效果。

1 Matlab图形用户界面(GUI)

Matlab是一套面对数值计算、信号处理和图形显示的高性能可视化仿真软件，Matlab GUI(Graphical User Interfaces)是一种新型的图形用户界面, 由菜单、 工具栏、 命令按钮、 光标、 按键等构成，用户通过鼠标、 键盘操作激活这些图形对象，使计算机进行计算、绘图等。基于Matlab的GUI设计不要求设计人员深入掌握面向对象的编程语言以及精通面向对象的程序设计,只需熟悉Matlab的基本操作和基本的C 语言知识，开发周期短, 而且设计的界面在功能和外观上都可与Visual C等面向对象编程语言相比拟[3-6]。

2 课堂辅助教学系统

本文开发的“自动控制原理”课堂辅助教学系统的主控界面如图 1 所示，采用 Windows 程序风格的操作菜单，由4个主要模块构成，分别为时域分析模块、根轨迹分析模块、频域分析模块(经典控制理论)和状态空间分析模块(现代控制理论)。

图1 自动控制原理课堂辅助教学系统主控界面

每个主模块均采用多级结构，如图2所示，这样便于程序开发调试与新实验拓展。

图2左列为主控界面对应的4个主模块二级主窗口，点击相应实验按钮，可以进入如图2右列所示具体的三级实验窗口进行参数设置与实验仿真。其中，时域分析主模块包括一阶系统时域分析、二阶系统时域分析、稳定性判定、稳态误差分析4个仿真实验；根轨迹分析主模块包括根轨迹分析、增加开环零点、增加开环极点、增加偶极子、移动开环零点、移动开环极点6个仿真实验；频域分析主模块包括奈氏图分析、bode图分析、稳定性分析3个仿真实验；状态空间分析主模块开发了能控性分析和能观性分析等4个仿真实验。尽管课时受限(仅48个学时)，借助我们设计的“自动控制原理”课堂辅助教学系统，可以顺利完成经典控制理论部分的讲授。

(a)时域分析主模块 (b)一阶系统时域分析窗口

(c)根轨迹分析主模块 (d)根轨迹分析窗口

(e)频域分析主模块 (f)波特图分析窗口

(g) 状态空间分析模块 (h)能控性分析窗口图2 子模块二级主窗口和三级实验窗口

3 辅助教学实例

下面以线性系统根轨迹分析为例来解释Matlab在“自动控制原理”课程辅助教学中的应用。这里我们着重讨论增加开环零、极点对根轨迹及闭环系统性能的影响。

3.1 增加开环零点对根轨迹的影响

(1)改变了根轨迹在实轴上的分布；

(2)改变了渐近线的条数、与实轴的交点和夹角；

(3)可以抵消对系统不利的闭环极点(构成偶极子)；

(4)根轨迹左移(零点要适当，相当于加入比例+微分控制器)，对稳定性有利；

(5)系统阻尼增加，过渡过程时间缩短。

(a) G1(s)根轨迹 (b) G2(s)根轨迹

(c) G3(s)根轨迹 (d)阶跃响应图3 增加开环零点对根轨迹的影响

3.2 增加开环极点对根轨迹的影响

(1)改变了根轨迹的条数；

(2)改变了根轨迹在实轴上的分布；

(3)改变了渐近线的条数、与实轴的交点和夹角；

(4)根轨迹右移(极点要适当)，对稳定性不利；

(5)系统阻尼减小，过渡过程时间加长。

通过这两个对比实验，学生可以直观地掌握增加开环零、极点对闭环系统根轨迹的影响，同时结合阶跃响应曲线，学生可以与前面学习的时域系统分析的相关知识相呼应，更深入的掌握增加开环零、极点对闭环系统暂态性能和稳态性能的影响，达到时域分析与根轨迹分析方法的融会贯通。

(a) G4(s)根轨迹 (b) G5(s)根轨迹

(c) G6(s)根轨迹 (d)阶跃响应图4 增加开环极点对根轨迹的影响

4 结语

本文所介绍的只是笔者基于Matlab的“自动控制原理课”程辅助教学实践中的一部分，利用Matlab强大的数值计算和图形显示功能，可以将“自动控制原理”中一些难点和重点进行直观的演示，能使抽象的概念形象化，解决了传统黑板式教学过程中徒手绘图低效且不准确、现代 PowerPoint 多媒体教学过程中可视化环节又难以实现实时性和动态性的问题，促进理论回归工程，提高课堂的教学效率，有效地激发了学生的学习积极性，教学效果良好。本文的探讨对“自动控制原理”教学具有一定的参考价值。

[1] 周武能, 石红瑞.自动控制原理教学改革与实践[J].秦皇岛：教学研究, 2010, 33(1):63-66.

[2] 田思庆, 孙迎春, 徐建东.基于MATLAB的“自动控制原理”仿真实验系统设计[J].佳木斯：佳木斯大学学报(自然科学版), 2011, 29(1):65-67,70.

[3] 许艳惠.Matlab在“信号与系统”分析中的应用[J].南京：电气电子教学学报, 2007, 29(1):100-102.

[4] 李强,明艳,吴坤君.基于Matlab的通信原理演示系统的设计与应用[J].北京：实验技术与管理, 2008, 25(8):77-80.

[5] 杜世民, 杨润萍.基于Matlab GUI的“信号与系统”教学仿真平台开发[J].北京：实验技术与管理, 2012, 29(3):87-90.

[6] 王华乔.基于MATLAB GUI 的自动控制原理仿真软件设计[J].成都：计量与测试技术, 2011, 38(2):12-14.

Research on Auxiliary Teaching of Principles of Automatic Control Course Based on Matlab

WU Xian-xiang, GUO Bao-long, YAN Yun-yi, ZHU Juan-juan, MENG Fan-jie

(ICIEInstitute,SchoolofAerospaceScienceandTechnology,XidianUniversity,Xi'an710071,China)

For the traditional teaching of Principles of Automatic Control course, some concepts are abstract and hard to understand.This paper employs Matlab software to build the simulation platform of Principles of Automatic Control with its powerful computing and visualizating capabilities.This platform uses Matlab software to demonstrate the abstract theory teaching, which can effectively improve the pertinence and intuition of teaching.The platform has significant reference value to the teaching of Principles of Automatic Control course.

principles of automatic control; Matlab; simulation experiment platform; auxiliary teaching

2015-11-12;

2016-01-22

西安电子科技大学新实验开发项目(项目编号：SY1581，SY1480)西安电子科技大学研究生教育综合改革试点项目(项目编号：15Y2)

吴宪祥(1980-)，男，博士，副教授，主要从事电路、信号与系统、自动控制等方面的教学与科研工作，E-mail:wuxianxiang@163.com

TP13 G642

A

1008-0686(2016)06-0135-03