基于ＭＡＴＬＡＢ仿真的自動控制原理課程教學改革探索

自動控制原理課程是數學、控制、信息領域的交叉學科，具有概念抽象、數學計算量大、工程實踐性強等特點。當前，許多高校以計算機輔助教學為手段，將MATLAB與相關課程進行了整合，為教學帶來了極大的靈活性和便利性。MATLAB是一款數值計算型科技應用軟件，由于其強大的矩陣運算和繪圖功能，被廣泛地應用在控制領域中，成為了控制系統的計算機輔助分析與設計的一個卓越平臺。因此，結合MATLAB仿真在控制領域的潛在教學功能，從以下三個方面闡述本人對自動控制原理課程教學改革的探索和實踐。

一、將MATLAB與自動控制原理課程進行整合

將MATLAB與自動控制原理兩門課程進行整合，使MATLAB與自動控制原理課程的教與學融為一體，實現了傳統教學模式的創新。自動控制原理課程主要涉及到控制理論的基本概念、控制系統的數學建模（傳遞函數）、時域分析、頻域分析、系統的穩定性和系統的綜合校正等基礎知識。整合后的自動控制原理課程的內容，一方面應當以經典控制理論為主，同時從當前的控制技術中選取一些比較符合課程要求的理論知識，補充介紹給學生，以保持課程內容的先進性。另一方面，結合自動控制原理教學的要求，介紹相關的MATLAB知識：①相關的工具箱，如控制系統工具箱、模糊邏輯工具箱、神經網絡工具箱等；②MATLAB語言編程方法，尤其是矩陣分析及M函數和S函數的編寫方法；③Simulink建模仿真方法。重點對MATLAB語言和Simulink仿真進行介紹和應用。MATLAB語言作為當前國際控制界最流行的面向工程與科學計算的高級語言，能夠設計出功能強大、界面優美、穩定可靠的高質量程序；而MATLAB環境下的Simulink擁有豐富的系統建模、仿真和分析的動態仿真集成環境工具箱，在眾多仿真軟件功能是最強大、最優秀、最容易使用的，被廣泛應用于控制領域中。

二、基于MATLAB仿真的理論教學改革

傳統教學中控制系統的常用分析方法有時域法、根軌跡法、頻域法等，其本質都是“分析+圖解”的方法，其最大特點是依靠逐步試探和調整，以達到全部性能指標要求。常常伴有如下困難：內容抽象難懂，學生沒有興趣；計算工作量大，浪費課堂時間；手工繪圖精度低，分析質量差；學生對高階系統望而生畏等。因此，利用計算機輔助教學的手段，用MATLAB Notebook結合PowerPoint對比較典型的內容制作多媒體課件，形成了集自動控制理論的基礎知識教學、系統分析與設計于一體的多媒體教學環境，是解決傳統理論教學中的困難的有效途徑之一。

MATLAB Notebook允許用戶把word文檔中創建的M ATLAB語言編寫的程序送到MATLAB中執行，然后將運行的計算結果和繪制的圖形送回到word中，并插入到文檔中。因此，先用MATLAB Notebook制作M-book的文檔。再使用PowerPoint制作幻燈片，在PowerPoint中建立超級鏈接，以實現PowerPoint與M-book之間的鏈接。在教學過程中，適時地穿插按此方法制作的課件進行演示教學，再配上教師的一定講解，使理論教學生動、形象、直觀。實踐證明，利用M ATLAB語言中系統建模、分析及設計、計算與作圖的有關函數，可方便進行性能指標的計算，以及畫出相關的圖，從而節省計算時間，避免計算、作圖錯誤，把教學的注意力集中在概念、原理的思考上，通過對結果的分析來加深對理論的理解。

三、基于MATLAB仿真的實驗教學改革

傳統的自動控制實驗教學，一般采用實際的自動控制系統或自控實驗箱，對系統進行實際的控制操作或在實驗箱面板上連接相應的典型環節，通過對應的計算機軟件觀察系統的響應曲線及各項指標。雖然這種方式可以一定程度地提高學生的動手能力，但一般只能開設驗證性實驗，而且觀察效果不理想。因此，將MATLAB仿真引入實驗教學中，提出將虛擬實驗與實物實驗相結合，改革傳統實驗教學，開設MATLAB仿真實驗，增加綜合性和設計性實驗項目的比例，加強課程設計、畢業設計的指導及管理。

MATLAB仿真實驗的步驟：①利用Simulink功能模塊或調用M函數及編寫S函數等建立控制系統仿真模型并確定仿真輸入和輸出；②設置仿真參數，如數值算法、仿真時間、步長、相對誤差、絕對誤差等；③進行動態仿真并輸出結果；④分析仿真結果并修改模型再進行仿真。應用MATLAB語言，特別是控制工具箱的有關命令設計調節系統，簡化了設計過程及步驟。通過改變系統參數和補償器參數，可以方便地得到不同的頻域特性和時域特性，根據性能指標，選取一組最佳參數，從而完成系統的設計和仿真。不同的系統和不同的性能指標，反映在MATLAB設計程序上，僅僅改變MATLAB設計程序的系統矩陣參數及期望極點的位置。依托Simulink強健的仿真能力，在軟件環境中進行動態系統模型的仿真不僅可以較早的排查系統設計的缺欠和錯誤，還有助于設計者更好的理解系統模型的行為，從而完成對模型和控制系統算法的優化。實踐證明，MATLAB仿真實驗具有如下優點：①方便靈活，既可以在實驗室也可以在學生宿舍進行，且在仿真器上可以任意作參數調整，體現了仿真實驗的靈活性；②教學成本低，解決了學校因缺少資金籌建復雜模擬控制系統實驗室的困難；③拓展了學生的思維，有利于引導學生進行更復雜的系統分析，使以往不敢觸及的問題得到擴展和深入，提高了學生實際解決問題的能力。因此，將虛擬實驗與實物實驗相結合進行實驗教學，有利于提高了學生理論設計、計算機仿真及相應的實物制作與系統調試的綜合能力。

（作者單位：新余高等?？茖W校機電工程系）