傅薈璇++池海紅+王宇超

摘要：針對(duì)自動(dòng)控制理論課程理論性強(qiáng)、概念抽象、計(jì)算復(fù)雜等特點(diǎn)，利用MATLAB軟件將數(shù)字仿真技術(shù)應(yīng)用于自動(dòng)控制理論課程教學(xué)中，給出了教學(xué)中的典型應(yīng)用實(shí)例，使教學(xué)直觀形象，加深了學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制理論的理解及所學(xué)知識(shí)的融會(huì)貫通。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制理論；數(shù)字仿真；課程教學(xué)

TP391.7；TP13-4

一、引言

自動(dòng)控制理論課程是自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的一門最重要的專業(yè)基礎(chǔ)理論課程。通過學(xué)習(xí)該課程，使自動(dòng)化及其相關(guān)專業(yè)的本科生掌握控制理論的基本知識(shí)，學(xué)會(huì)控制系統(tǒng)的建模、分析及設(shè)計(jì)方法。自動(dòng)控制理論課程理論性強(qiáng)，所學(xué)知識(shí)抽象，要在短時(shí)間內(nèi)使學(xué)生深入系統(tǒng)地學(xué)好課程，就需要改進(jìn)教學(xué)方法和教學(xué)手段，提高教師授課水平和教學(xué)能力。

為了更好的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量，對(duì)該課程采用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)，將Matlab引入到自動(dòng)控制理論教學(xué)中，將自動(dòng)控制理論中的基本概念和原理用圖形化方式展現(xiàn)，以便對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真與分析，加深學(xué)生對(duì)基本概念和理論知識(shí)的理解，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)自動(dòng)控制理論課程的積極性，使抽象的理論變得形象具體，起到良好的教學(xué)效果。

二、自動(dòng)控制理論教學(xué)方法現(xiàn)狀

自動(dòng)控制理論課程的內(nèi)容豐富，涉及自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模、線性系統(tǒng)的基本分析方法、線性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)校正方法、線性離散系統(tǒng)的分析與校正以及非線性控制系統(tǒng)分析等。傳統(tǒng)的自動(dòng)控制理論教學(xué)方法是教師在課堂上通過板書及多媒體教學(xué)的形式講授理論內(nèi)容。通過 “填鴨式”教學(xué)，更多地注重于公式的推導(dǎo)、基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)。正是由于這種死板的教學(xué)方法，使絕大部分學(xué)生感到課程內(nèi)容抽象，難以理解，影響了授課效果。

自動(dòng)控制理論課程在講授過程中需要繪制的圖形較多，常規(guī)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，一般只能定性地繪制出概略曲線，從而影響了學(xué)生的理解，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，如何在有限的課堂教學(xué)中盡可能多的把知識(shí)有效地傳授給學(xué)生，就必須有效地利用各種教學(xué)方法，讓學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制理論有具體直觀的理解，才會(huì)起到事半功倍的效果。因此，教師如何選擇、組織、處理教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法，對(duì)于提高課堂教學(xué)效果具有重要作用。教師在教學(xué)的過程中，要對(duì)各種教學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行分析和歸納，對(duì)教學(xué)內(nèi)容和方法做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使之更加適應(yīng)學(xué)生學(xué)習(xí)的需要。

三、運(yùn)用現(xiàn)代化教學(xué)手段，提高教學(xué)效果

為使學(xué)生能夠正確理解有關(guān)控制理論的基本概念，掌握分析自動(dòng)控制系統(tǒng)性能的基本方法并初步具備綜合設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單自動(dòng)控制系統(tǒng)的能力，不但需要選擇合適的教學(xué)內(nèi)容，還必須著眼于教學(xué)方法和教學(xué)手段上的改進(jìn)。要注重現(xiàn)代教育技術(shù)手段的應(yīng)用，合理地運(yùn)用現(xiàn)代信息手段，以提高教學(xué)效果。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)在自動(dòng)控制理論課程教學(xué)中的應(yīng)用，使得課堂教學(xué)變得形象生動(dòng)。但是由于自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例的復(fù)雜性，不能在一般的多媒體教學(xué)軟件中加入自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)例，所以現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)多媒體教學(xué)軟件并不能從根本上解決加深學(xué)生對(duì)課堂所學(xué)內(nèi)容的理解問題，以及將系統(tǒng)響應(yīng)曲線及各項(xiàng)指標(biāo)清晰地展現(xiàn)在學(xué)生面前。

因此，將理論授課和數(shù)字實(shí)驗(yàn)仿真技術(shù)相結(jié)合，使學(xué)生直觀的看到仿真結(jié)果，得到控制系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，從而對(duì)所學(xué)內(nèi)容有較深的了解，融會(huì)貫通，提高理論課程的授課效果。

1.數(shù)字實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)選擇

MATLAB 是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。

MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。簡(jiǎn)單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運(yùn)行，而且能夠及時(shí)地報(bào)告出現(xiàn)的錯(cuò)誤及進(jìn)行出錯(cuò)原因分析，極大的方便了用戶。

在自動(dòng)控制理論課程中常采用各種圖形進(jìn)行分析，這些圖形需要分析、計(jì)算、描點(diǎn)等過程，常?；ㄙM(fèi)大量時(shí)間。因此，將MATLAB用于自動(dòng)控制理論教學(xué)過程中，可方便的應(yīng)用MATLAB中Simulink工具建立控制系統(tǒng)模型，調(diào)用控制系統(tǒng)工具箱中的有關(guān)函數(shù)命令對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析、非線性環(huán)節(jié)特性分析等。采用MATLAB語言只需一條指令即可得到，并且可以幫助學(xué)生將抽象的知識(shí)具體化，也更容易讓學(xué)生理解。

2.基于MATLAB數(shù)字實(shí)驗(yàn)仿真在控制系統(tǒng)分析中的應(yīng)用

在時(shí)域分析中，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的性能，通常用系統(tǒng)對(duì)單位階躍輸入的響應(yīng)所定義的各項(xiàng)指標(biāo)來表征。典型二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)是時(shí)域分析中的一個(gè)重要內(nèi)容（高階系統(tǒng)可在一定條件下轉(zhuǎn)化為二階系統(tǒng)來處理），系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)通常用上升時(shí)間（ ）、峰值時(shí)間（ ）、超調(diào)量（ ）、調(diào)節(jié)時(shí)間（ ）等指標(biāo)來描述。阻尼比 不同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)也將呈現(xiàn)不同特性，而用MATLAB可以很輕松地描述響應(yīng)曲線。只需要將Simulink中的參數(shù)稍微修改就可以很方便的描述單位階躍響應(yīng)。下面以典型二階系統(tǒng)舉例說明，單位反饋控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為 。

設(shè)給定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

利用MATLAB繪制出不同k值下的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線，如圖2所示。分別取k=0.4，0.8，1，2，4，6從圖中可以看出，隨著k的增大，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線從單調(diào)無超調(diào)上升過程變成了震蕩收斂過程；隨著k繼續(xù)增大，阻尼比 越來越小，震蕩幅度越來越大。

利用MATLAB畫出上述系統(tǒng)的根軌跡。在MATLAB的命令窗口中輸入模型 ，然后調(diào)用rlocus（）函數(shù)，即可在圖形窗口中顯示出系統(tǒng)的根軌跡圖，如圖3所示。

用鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖形窗口中的根軌跡即可得到當(dāng)前點(diǎn)對(duì)應(yīng)的根軌跡增益。從圖3中可以看出， ，系統(tǒng)穩(wěn)定。當(dāng) 時(shí)，系統(tǒng)有一對(duì)兒負(fù)實(shí)根，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)應(yīng)為單調(diào)無超調(diào)上升過程，與圖2中的結(jié)論一致；當(dāng) 時(shí)，系統(tǒng)有一對(duì)兒具有負(fù)實(shí)部的共軛根，單位階躍響應(yīng)為震蕩收斂過程，隨著k的增大，阻尼角增大，阻尼比 變小，震蕩幅度越來越大，與圖2中的結(jié)論一致。

通過MATLAB仿真，可以讓學(xué)生將時(shí)域分析與復(fù)域分析的知識(shí)聯(lián)系起來，使學(xué)生能夠?qū)λ鶎W(xué)的知識(shí)加深理解、融會(huì)貫通，提高課堂的授課效果。

四、結(jié)語

自動(dòng)控制理論是自動(dòng)化學(xué)科重要的專業(yè)基礎(chǔ)課， 運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，改革傳統(tǒng)的教學(xué)方法和教學(xué)手段，將數(shù)字仿真技術(shù)引入自動(dòng)控制理論的教學(xué)中，提高課堂教學(xué)效率，使學(xué)生能夠更加深入理解和靈活運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)。利用MATLAB作為自動(dòng)控制原理課堂實(shí)例仿真軟件，使抽象的理論變得形象具體，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理的積極性，使學(xué)生與教師形成良好的互動(dòng)，起到很好的教學(xué)效果。

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