MATLAB在“自动控制原理”课程中的应用研究

河北农业大学 李珊珊 孔德刚 弋景刚 袁永伟 刘江涛

引言

自动控制原理是电气与自动化专业一门重要的专业技术基础课，该课程在内容体系中起着承上启下的作用。主要介绍讨论了单输入—单输出定常系统的控制问题，讲授经典控制理论的三大分析方法——时域分析法、根轨迹分析法和频域分析法，自动控制系统综合与校正的一般方法和非线性系统等内容，课程具有一定的抽象性，包含大量的数学内容和复杂计算。通过学习，要求学生系统掌握自动控制的基本原理和基本方法，并能对控制系统进行定性分析、定量计算和综合设计。学生普遍反映难以理解，内容枯燥。基于此，需要对教学内容及教学方法进行更新，在教学中引入了MATLAB编程语言。

1 现代教育理念

1.1 以学生为中心

美国人本主义心理学家卡尔·罗杰斯于1952年提出“以学生为本”的教育理念，主张促进学生个性发展、人格完善和潜能发挥，使他们能够愉快地、创造性地学习和工作。目前，这种教育理念仍然作为一种基本的现代教育理念。

1.2 创新发展的理念

党的十八届五中全会提出“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念，其中创新被置于首位。随着互联网技术的迅速发展，知识更新换代速度加快，对复合创新型人才的需求愈发强烈，人才培养要摒弃传统的知识灌溉模式，应将教学重点转移到重视研究方法学习、培养创新精神上。

1.3 OBE教育理念

OBE为“Outcomes-based Education”的缩写，OBE教育理念即基于成果导向的教育理念。美国的Spady在《基于产出的教育模式：争议与答案》一书中把OBE定义为“关注和组织教育体系，以确保学生在未来的生活中获得实质性的成功经验”。OBE教育理念强调了学习结果的重要性，教学者要规划学生的学习水平，根据学生的具体情况和现代社会需求保证学习目标的顺利达成。

上述这些教育理念归根结底都要以学生为中心，培养学生的创新能力，要求培养出的学生适应社会的发展。而MATLAB语言的引入就是以学生为中心，为学生创新能力和实践能力的发展提供了空间。

2 MATLAB软件及其特点

MATLAB编程语言是20世纪80年代美国MathWorks公司推出的一种教学软件，具有开放的环境、强大的数值计算能力和图形绘制功能，数据可视化性强。工作区包括矩阵运算、图形渲染、数据处理、各种工具箱以及类似“草稿纸”的多种模块。MATLAB编程语言作为一种工程计算软件已成为许多高校自动控制课程的教学工具。具有以下优点。

2.1 强大广泛的应用

MATLAB的基本单位是语言矩阵，可用于各种矩阵操作。MATLAB在自动控制、语言处理、图像信号处理及建筑、航空航天、机械设计、流体力学、计算机技术中都有广泛应用，工程人员可以借助该语言提供的工具箱解决复杂的工程问题，对系统实施动态仿真，并显示计算结果。

2.2 编程效率高，语言简洁高效

MATLAB是一种简洁的高级语言，可以用数学语言编写程序，用MATLAB编写程序更接近于书写计算公式的思维方式，好像在草稿纸上列出公式与求解问题，编写简单、编程效率高，初学者易于掌握。此外，MATLAB编程语言提供了丰富的库函数，用户编程时可以根据需要直接调用，也可以根据自身需要扩展新的库函数，从而大大提高了编程速度和编程效率。

2.3 图形功能强大便捷

MATLAB编程语言提供了图形手柄上的低级绘图操作和基于低级绘图操作构建的高级绘图操作两个级别。使用图形处理功能可对图形元素执行各种操作。

2.4 自动控制工具包功能齐备

MATLAB是控制行业常用的计算机语言，在控制领域几乎所有研究都有相应工具箱。如控制系统工具箱、系统识别工具箱、鲁棒控制工具箱和神经网络工具箱等，这些工具箱构成了强大的自动控制工具。

3 教学现状及改进方法

“自动控制原理”课程内容抽象分散、理论性强，有大量的公式和数学运算，要求学生前期需要掌握许多物理学和高级数学的相关知识，而这些内容对于绝大多数学生来说属于薄弱环节。传统的以教师为主的多媒体与板书相结合的满堂灌式教学方式让学生普遍觉得内容抽象、枯燥乏味、理解困难，学生很难对教学内容产生兴趣，不能达到预期的教学效果和课程设置目标。基于此，为了改变传统的教学方式，教研组在课程中引入了MATLAB编程语言，进而激发和提高了学生的自主学习能力和学习兴趣。

4 MATLAB在自动控制原理学习中的应用实例

根据课程理论知识，介绍的内容主要包括控制系统建模、控制系统分析及控制系统综合标定和设计三大部分。建模部分主要是使用MATLAB编程语言在计算机上实现各种模型的输入以及形式转换和绘制不同的响应曲线，MATLAB软件提供了有理分式传递函数模型、零极点增益模型、状态方程模型等线性系统的多种数学模型函数，学生使用MATLAB语言可以进行根轨迹分析、频率特性分析、控制系统稳定性等分析。

“MATLAB及其应用技术”作为选修课与“自动控制原理”在同一学期开设，学生在学习完MATLAB后可以在自动控制原理中进行实践应用，更好地掌握软件知识，将抽象内容以学生易于了解、掌握的形式呈现出来。在课堂教学中，学完理论知识后，抽出一定时间介绍MATLAB相关内容，主要介绍关键语句、简短模拟程序，以及如何利用特定语言辅助学习相关理论知识，要求学生利用课后时间练习一些句子和程序，进而完成数学模型、响应曲线、根轨迹图、频率特性曲线等的建立。通过两门课程内容相互融合、验证的形式，学生可以更深入系统地了解和掌握软件应用方法，拓展知识面。

5 MATLAB应用于课程改革的成效

自动控制系统性能主要通过图形进行分析，绘制系统响应曲线通常需要花费大量时间，引入MATLAB语言后，利用其强大的计算功能，学生可以快速轻松地绘制系统曲线，调整相关参数，观察曲线的动态变化趋势。此外，MATLAB在课程中的应用活跃了课堂氛围，使学生对自动控制不再有恐惧感，对所学知识有了深刻了解，听课效率和学习效果有了显著提高。同时培养了学生实践能力，便于学生在实践操作中巩固理论知识的学习。

6 结语

MATLAB的引入从根本上改变了自动控制原理的传统教学模式，使其从纯理论教学转变为与实际工程控制案例紧密结合的生动教学，使许多抽象的知识形象具体化，充分调动了学生的学习兴趣。但是，基于自动控制原理课程的自身特点，部分理论推导和计算过程依赖于传统教学方式，便于学生掌握。因此，课程采取传统教学和MATLAB应用教学相结合的模式，取长补短，以达到更好的教学效果。