MATLAB软件在自动控制原理课程教学中的应用

叶 锋

江苏大学能源与动力工程学院　江苏镇江　212013

MATLAB软件在自动控制原理课程教学中的应用

叶 锋

江苏大学能源与动力工程学院江苏镇江212013

为了使自动控制原理课程不再是抽象的理论研究，而转化为形象生动通俗易懂的教学，使学生更加直观地了解和学会相关的分析方法，引入MATLAB软件。MATLAB不仅可以提供系统框图模型的图形交互环境，而且其参数的调节十分地方便。通过一些控制原理中的实例编程，对一些典型系统进行根轨迹、时域、频域等方面的研究，具体化抽象问题，简单化解题过程，表现了MATLAB应用在自动控制原理课程教学中的方便优越性。

自动控制原理；课程教学；MATLAB

自动控制原理是工科专业从基础课到专业课之间过渡的一门重要的专业基础课。该课程不仅知识面广、内容丰富、理论性强、信息量大，而且十分的抽象。烦琐的理论推导，复杂的绘图理论和数学计算，让许多学生感到十分难学。一部分人为应付考试一知半解，只记住相关结论；一部分人由于课程难学也失去了对课程的学习兴趣。据调查目前很多高校都采用传统的“课堂讲授”教学模式，有些教师用PPT教学翻阅太快，有些教师黑板板书虽然教学效果比PPT好，但浪费不少时间，教师也感到难教。

MATLAB软件提供了丰富的MATLAB语言函数，可以进行高效的数值运算，图形生成等功能。在经典控制理论中，可利用它提供的资源构建各类系统的数学模型，进行系统的设计、系统的性能分析和仿真实验研究。

如果把MATLAB应用于自动控制原理课程的教学，不仅可以克服传统教学的很多缺陷，提高了教学课堂的趣味性和交互性，而且利于引导学生深入掌握该课程的实质，极大地提高了课堂效率以及实际动手能力，为以后的学习和工作打下良好的基础。

1　自动控制原理课程在学习过程当中存在的问题和难点

为了能够更加深入详细地了解学生在学习此门课程时所遇到的难点，笔者选取了江苏大学学习该门课程的几个工科强势专业进行问卷调查。共发放问卷100份，回收96份，有效问卷93份，总结出学生在学习过程中遇到的以下的难点。

（1）开始接触课程的时候，就感觉到此门课程理论性很强。抽象的概念，烦琐的推导让很多学生难以适应。

（2）此课程需要用到高数里的微分方程的求解以及复变函数里的拉氏变换，而很多学生的高数、复变函数的相关知识都已淡忘。

（3）一些内容的计算十分烦琐（如频域、时域等），如果没有一些计算上的技巧，会很麻烦。

（4）相关的绘图过程（根轨迹），只知道绘图的步骤，但其实不知道为什么要这么做，一知半解。

另外，一些相关授课教师反映在教学中存在《根轨迹》《系统响应》《频率响应》等章节，需要在黑板画出大量的曲线，有时曲线很难用多种颜色区分开，而且曲线的准确性也难以保证，耗时费力，影响课堂教学进度，限制了学生的理解和掌握。

2　MATLAB在自动控制原理课程中的应用实例

2.1典型二阶系统的阶跃响应中阻尼比对系统的影响

可以得出该系统的bode图（如图1所示）。

图1

2.2系统根轨迹图的绘制

可以绘制出其根轨迹图像（如图2所示）。

图2

另外，也可以对根轨迹使用［k，poles］=rlocfind［n，d］操作，可以得到一个十字光标，可以鼠标左键点击根轨迹图上的任意一处，就可以得到此点的增益值和此增益所对应的闭环特征方程的根。MATLAB应用在自动控制原理课程中还有其他应用：一是可以使用MATLAB方便的输入连续系统的传递函数；二是应用MATLAB软件绘制控制系统的时域响应曲线，分析系统的时域特性；三是可以方便地求出系统的零极点，从而判断该系统的稳定性，避免了相关的复杂运算；四是应用MATLAB软件分析系统典型信号。

3　MATLAB应用于课程改革的成效

MATLAB的引入可以给自动控制原理课程教学带来许多明显的帮助。

（1）在教学实践中，很多时候都以图解法为主分析系统的性能，通常需花不少时间绘制系统的时间响应曲线。现在可以应用MATLAB强大的计算功能，迅速轻松地绘制系统的曲线，并能动态地演示这些曲线随着参数调节的变化趋势。

（2）很多学生对引入MATLAB平台的自动控制原理课程持肯定态度。学生不再有畏难的情绪，深刻理解所学内容，课堂氛围和学习效果大为改善，听课效率明显提高。

（3）MATLAB的应用还培养了学生的实践动手能力，使学生在实际操作过程中既能够深刻学习到理论知识，又能学会从实践中获得知识的能力。

4　结束语

通过MATLAB语言的引入，采取合理的现代化技术手段，能够把复杂的计算、烦琐的推导转化为直观的图形，使得教学不再抽象枯燥，而变得十分新颖、灵活。学生在学习理解的过程中手脑并用，很多作业也可以通过MATLAB计算绘图解题，既提高了效率，又大大调动了学生主动学习的积极性。另外很多学生渐渐熟悉使用MATLAB这款目前工科十分热门的软件，提高了编程能力，为以后的学习或者工作打下了良好的基础。

专业基础课的教学改革是一个不断探究、不断创新的艰辛历程，对自动控制原理所提出的改革只是一次初步的探索，未来还有很多工作和实践需要更深层次的改进和完善。不断用新理论、新方法、新技术调整教学方法，进一步提高教学质量，让学生真正学到知识和方法。

［1］ 孙炳达.自动控制原理［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［2］ 薛定宇，陈阳泉.基于Matlab/Simulink的系统仿真技术与应用［M］.北京：清华大学出版社，2002.

［3］ 阮谢永.Matlab 仿真应用于“自动控制原理”教学的实践［J］.中国电力教育，2010（12）：81-82.

［4］ 李远生.基于Matlab自动控制系统建模与仿真［J］.湖南电力，2011（3）：15-17，24.

［5］ 刘永强，董翠敏.浅谈《自动控制原理》课程教学改革［J］.湖南农机，2008（1）：83-85.

MATLAB Software in the Application of Automatic Control Principle Course Teaching

Ye Feng
School of Energy and Power Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， 212013， China

In order to make the automatic control principle no longer abstract theoretical research and teaching become easy to understand， to make the students more intuitive to understand and learn relevant analysis methods， matlab software is introduced. Matlab can provide the system block diagram model of graphic interactive environment， and it's parameters adjustment is very convenient. Through some examples of programming in the control principle， and researches about some typical systems， such as root locus， time domain and frequency domain research， specifc abstract problem， simplify the problem solving process， which illustrates that the Matlab application in the teaching of automatic control principle is convenient.

principle of automatic control； course teaching； MATLAB

2016-03-09

叶锋，本科，助教。