姜瑩

摘 要：本文將控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB與《自動控制原理》課程有機結合，利用MATLAB強大的圖形表現(xiàn)能力，對《自動控制原理》課程課堂的教學方法和教學形式，實驗和實踐教學環(huán)節(jié)進行了探索和研究。提出把MATLAB/Simulink引入傳統(tǒng)教學方法中，采用多種教學形式相結合等方法，在課堂教學和實驗教學方面加以實施，最終達到提高《自動控制原理》課程教學質(zhì)量的目的。

關鍵詞：自動控制 系統(tǒng)仿真 MATLAB 實驗實踐 教學質(zhì)量

一、引言

《自動控制原理》是高等學校信息類專業(yè)的一門主干課程，同時它也是一門理論性與實踐性結合很強的專業(yè)課程。但由于課程內(nèi)容抽象，計算性強，作圖方法多，學生往往不易理解和掌握，甚至產(chǎn)生厭學情緒。為了在教學中充分調(diào)動學生的積極性，提高該課程教學質(zhì)量，取得更好的教學效果，本文將控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB與《自動控制原理》課程有機結合，把MATLAB/Simulink引入到傳統(tǒng)教學方法中，實現(xiàn)《自動控制原理》課堂教學的圖形化和交互化，這樣不僅可以簡化課堂授課的解題過程，也可以充分利用計算機強大的表現(xiàn)能力，把抽象的問題具體化，便于加深學生對抽象理論知識的理解和接受，有利于學生深入掌握該課程的實質(zhì)。

另一方面，實驗環(huán)節(jié)也是《自動控制原理》課程不可缺少的一部分。傳統(tǒng)的《自動控制原理》實驗一般僅采用自控實驗箱，在實驗箱面板上完成相應典型環(huán)節(jié)的連接，再通過示波器觀察系統(tǒng)的響應曲線。這種單純依賴自控實驗箱的實驗方式雖然可以在一定程度上鍛煉學生的動手能力，但觀察效果差，操作復雜，學生只能被動接受實驗，實驗設備高度集成化，可擴展和創(chuàng)新性差，不利于學生學習主動性和積極性的培養(yǎng)。因此，結合MATLAB仿真軟件，克服傳統(tǒng)《自動控制原理》模擬實驗的局限性，擴展開發(fā)自控實驗箱的可視化功能，利用MATLAB仿真技術促進《自動控制原理》實驗教學改革也是本文研究目標之一。

二、利用MATLAB仿真改進《自動控制原理》課程教學主要研究內(nèi)容

（1） 將課堂教學與MATLAB仿真工具相結合，利用MATLAB形象、生動的演示功能來推進演示性課堂教學的實施，使學生在文字描述的基礎上結合MATLAB仿真的精確圖形，更直觀、更準確地理解自動控制原理課程理論中的基本概念。

（2） 利用MATLAB仿真軟件改進《自動控制原理》課程實驗內(nèi)容，指導學生以MATLAB軟件為仿真工具，用計算機解決《自動控制原理》課程中的相關知識點問題。實驗過程中通過MATLAB語言編制交互性能良好的程序，加深學生對抽象理論知識的理解，增強學生分析問題、解決問題的能力。

（3） 借助MATLAB仿真軟件完成創(chuàng)新性實驗，讓學生直觀地進入實驗的本質(zhì)階段，體味自動控制仿真的樂趣和創(chuàng)造性，起到激發(fā)學生科學創(chuàng)造性的作用。

三、利用MATLAB仿真改進《自動控制原理》課程教學研究的關鍵技術點

（1） 應用MATLAB進行模型處理；

（2） 利用MATLAB繪制線性控制系統(tǒng)的時域響應曲線，并結合MATLAB仿真結果分析系統(tǒng)時域特性；

（3） 利用MATLAB繪制線性控制系統(tǒng)的根軌跡圖，并根據(jù)根軌跡圖判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

（4） 利用MATLAB繪制線性控制系統(tǒng)的頻域響應圖（含Bode圖及Nyquist曲線），并根據(jù)仿真結果研究、分析控制系統(tǒng)的頻域特性；

（5） 應用MATLAB進行離散控制系統(tǒng)分析；

（6） 利用MATLAB軟件的Simulink仿真工具箱，搭建一級直線倒立擺自動控制系統(tǒng)，并通過仿真實驗分析研究系統(tǒng)特性。

四、利用MATLAB仿真改進《自動控制原理》課程解決問題舉例

時域分析是線性控制系統(tǒng)中最基本的問題，其思路是分析在典型輸入信號作用下，系統(tǒng)在時間域的響應（包括暫態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)響應）。傳統(tǒng)解法就是在已知系統(tǒng)模型結構的基礎上，求出在典型輸入信號下系統(tǒng)輸出的拉氏變換，再通過求解拉氏逆變換得出解析表達式，進而通過繪制響應曲線求得對應的暫態(tài)指標和穩(wěn)態(tài)指標。顯然，在運用解析法進行分析時，需要很多復雜的數(shù)學推導，并且往往伴隨有大量的計算。如果將大量的時間用在計算和推導過程上，教學過程顯得主次不清，而且有時候繁瑣的運算會使學生感到枯燥，容易分神，甚至把太多注意力集中到運算上，從而忽略了對方法本身的理解?？紤]到MATLAB強大的計算能力和繪圖能力，可以直接用來輔助課堂教學，改善教學效果。

在線性控制系統(tǒng)的時域分析法中，MATLAB軟件不僅提供了階躍響應函數(shù)step、脈沖響應函數(shù)impulse等命令，而且還能夠迅速地求出系統(tǒng)時域指標。例如：在對高階系統(tǒng)進行性能分析時，通常采用的方法是主導極點法，即只考慮離虛軸最近而且附近又

沒有零點的主導極點的影響，其他的零、極點都忽略不計。授課過程中，通常采用的做法是通過比較該高階系統(tǒng)的單位階躍響應曲線和只考慮其主導極點的低階系統(tǒng)的單位階躍響應曲線，去分析兩個系統(tǒng)的各性能指標的差異。為了能夠節(jié)省有限的課堂時間，這個時候就可以利用MATLAB軟件來快速地繪制出相應的階躍響應曲線，可以極大地節(jié)省課堂時間。

例如，欲求閉環(huán)傳遞函數(shù)為G（s）=10s2+2s+10的系統(tǒng)的階躍響應曲線和指標。系統(tǒng)的階躍響應曲線可以用MATLAB軟件仿真出來（如圖1所示）。由圖1可以很容易地看出，這個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間分別為3.21s和4.11s，峰值時間為1.05 s，最大峰值1.35，

超調(diào)量為35%。因此可見，利用MATLAB來輔助線性系統(tǒng)時域分析是可行的。

圖1 MATLAB下線性系統(tǒng)的階躍響應五、本文創(chuàng)新之處

（1） 授課過程中將MATLAB仿真與傳統(tǒng)《自動控制原理》多媒體課件有機結合，

制作引入MATLAB仿真的新《自動控制原理》多媒體課件，簡化解題過程，運用MATLAB強大的計算能力和繪圖能力，直接輔助課堂教學，改善教學效果。

（2）上機實驗環(huán)節(jié)，鍛煉學生在教師指導下以MATLAB為工具，處理《自動控制

原理》課程中的時域分析、根軌跡分析和頻域分析等重要問題，加深學生對抽象理論的理解。

（3）開發(fā)基于MATLAB仿真平臺的直線一級倒立擺教學實驗，在倒立擺實驗箱基

礎上以MATLAB為工具開展實驗內(nèi)容，有利于培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和解決實際問題能力。

六、總結

本文利用MATLAB仿真改進《自動控制原理》課程教學，解決了《自動控制原理》課程教學方法轉換的迫切需求，且通過實踐表明，教學效果令人滿意，極大提高了課堂效率、增強了學生的動手能力，激發(fā)了學生的學習興趣。

參考文獻：

[1]劉軍. 高職高?！蹲詣涌刂圃怼氛n程教學的研究. 現(xiàn)代企業(yè)教育，2007，（22）.

[2]陳旭，余國林. 自動控制原理探索與研究. 電氣電子教學學報刊，2009， 10.

[3]劉文慧，袁金燕. 淺析《自動控制原理》課程教學改革. 職業(yè)時空，2011，07（11）.

該項目為沈陽化工大學教學研究基金項目，項目編號2012C36.