MATLAB 在自動控制原理課程學習中的應用

劉瑤

（東北農業大學成棟學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 自動控制原理課程特點

《自動控制原理》是高校自動化專業的重要專業基礎課，也是其它電類專業一門重要的專業基礎課程，在教學上占有重要的地位，其理論性強，既難教，也難學。該課程的研究對象為實際的自動控制系統，探討的是控制過程的性能及其規律性，具有數學含量大、計算繁雜、作圖方法多、實際應用廣泛等特點[1]，而獨立院校的學生數學基礎差，導致學生接受能力差，學習較為吃力。因此，我們將MATLAB 應用到該課程教學中，對提高學生對各種控制系統、各種控制理論方法的理解和分析能力有很大的促進作用，并能培養他們的工程實踐能力和創新能力，進一步提高教學質量。

2 MATLAB 的特點

MATLAB 語言是目前國際控制界最流行的語言，它集數值計算、符號運算和圖形處理等強大功能于一體，適用于工程應用各領城的分析、設計和復雜計算[2]，強大的功能使它成為系統分析和仿真設計的首選語言。我們可以調用MATIAB 提供的函數和其附帶的模塊工具來為我們分析和計算，不但可以準確地畫出圖形，計算出相應的性能指標，對《自動控制原理》的教學有很大的幫助，提高學生學習興趣的同時能盡力將“難學”變成“易學”，實現既加強教學深度，又提高教學質量的目的。另外，學生在學習自動控制理論的同時學會使用MATLAB 語言，不僅對掌握和應用自動控制理論有幫助，還可以學會使用計算機輔助分析和設計控制系統等，為日后的工作和學習打下基礎。

3 MATLB 在自動控制原理學習中的應用實例

在《自動控制原理》課程中引入MATLAB語言，根據課程理論知識，引入的內容主要包括建模組成控制系統、對控制系統進行分析（時域法、根軌跡法和頻域法）和控制系統綜合校正及設計三部分。建模部分主要是借助MATLAB 編程，在計算機上實現對各類模型的輸入和形式轉換；分析部分主要利用MATLAB 的繪圖功能，觀察各種響應曲線、根軌跡、頻率特性以及參數變化對控制系統穩定性和動態性能的影響等；綜合設計部分主要是將前兩部分有機聯系在一起，綜合學生已掌握的知識，培養利用專業軟件對知識綜合應用的能力。

《MATLAB 及其應用技術》在本學院作為一門選修課程是與《自動控制原理》在同一學期開出的。學生對MATALB 軟件的使用有一個初步的了解，我們在每講授完一部分《自動控制原理》相應理論知識后，抽出一定課時引入MATLAB 的內容，這樣容易使學生明白學習的目的，教學中主要介紹MATLAB 的關鍵語句、簡短的仿真程序及利用其輔助相關理論知識學習的方法，讓學生課余時間應用這些語句和程序上機練習，完成課程中數學模型的建立和響應曲線、根軌跡圖及頻率特性曲線等的繪制。兩門課程的內容互相印證，使學生能夠更加深入系統地了解和掌握軟件的應用方法，培養學生拓展知識，進一步提高和激發學生自覺學習的能力和學習興趣。下面給出兩個具體實例。

3.1 根軌跡分析應用舉例

用MATLAB 繪制此系統根軌跡的程序如下：

只需三條命令就可以作出該系統的精確根軌跡示意圖如圖1 所示。

3.2 伯德圖分析應用舉例

MATLAB 的控制系統工具箱中提供了bode（）函數來求取、繪制給定線性系統的伯德圖。

手工繪制的伯德圖在轉折頻率處是用漸近線代替精確曲線的，這樣比較簡單，但應用MATLABA 繪制的伯德圖在轉折頻率處經過修正，曲線更加平滑，準確，學生可以把兩種繪制方法的曲線加以比較，體會其中的含義。

4 結語

MATLAB 的引入使《自動控制原理》的教學有了根本性變化，由原來枯燥的純原理性教學變為形象生動的與實際工程控制案例緊密結合的教學。使用MATLAB 軟件輔助教學，僅用幾條語句，就能夠使一些原本要經過繁瑣的數學推導過程才能見到的效果，變得簡單、明了，使學生對知識的學習形象具體化，充分調動了學生的學習興趣。但一定要注意引入的技巧，即適當運用，切不可過多而混淆了主次，干擾課堂教學的主要目的，應讓學生在掌握了相應控制原理后，針對性地運用MATLAB 軟件，加深對所學知識的理解，掌握運用MATLAB 進行系統分析和設計的方法。

[1]胡壽松.自動控制原理簡明教程（第五版）[M].北京：科學出版社，2007年5 頁～12 頁

[2]曹弋.MATLAB 教程及實訓[M].北京：機械工業出版社,2008年 1 頁～5 頁

[3]孟慶明.自動控制原理[M].北京：高等教育出版社，2008年 168 頁～169 頁.