Matlab在《自動控制原理》課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘要：針對《自動控制原理》課程的特點和教學(xué)難點，將Matlab應(yīng)用軟件引入到課堂實體教學(xué)當(dāng)中，充分利用Matlab及其Simulink仿真平臺的等特點，設(shè)計了基于Matlab軟件及Simulink的自動控制原理教學(xué)平臺，對于《自動控制原理》課程的課堂教學(xué)改革具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：《自動控制原理》；Matlab；Simulink；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0？搖 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）25-0061-01

一、引言

《自動控制原理》是“儀器科學(xué)與技術(shù)”學(xué)科領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)課程，該課程比較全面地向?qū)W生介紹自動控制的基本理論，基本概念及其系統(tǒng)的分析與設(shè)計方法。通過該課程的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生建立起自動控制系統(tǒng)的基本原理和基本概念，并讓學(xué)生初步學(xué)會利用控制理論的基本方法分析和設(shè)計用于實際的控制系統(tǒng)[1]。

《自動控制原理》課程的特點是：理論性很強，要求學(xué)生具有較好的數(shù)學(xué)知識功底，同時要求學(xué)生有較強的系統(tǒng)分析與設(shè)計能力。面對這樣一門重要的工科基礎(chǔ)課程，學(xué)生普遍反映是抽象、難學(xué)，所以如果仍然采用常規(guī)的“課堂講授+驗證性實驗”的方法是無法適應(yīng)現(xiàn)代專業(yè)技術(shù)的發(fā)展要求。因此，需要改進(jìn)目前的教學(xué)方法，調(diào)動老師和學(xué)生的參與性及學(xué)習(xí)效果。在《自動控制原理》的常規(guī)授課中，一般是采用學(xué)校自有設(shè)備如實驗箱及示波器等。但是在上述實驗環(huán)節(jié)中存在的問題是：實物實驗臺套數(shù)較少，難以實現(xiàn)每人一臺，實驗以驗證性實驗居多，內(nèi)容形式老化，難以激發(fā)學(xué)生實驗積極性。所以我們將Matlab軟件及Simulink仿真平臺引入課堂教學(xué)，設(shè)計了基于Matlab軟件及Simulink仿真的自動控制原理教學(xué)平臺[2，3]。

二、基于Matlab軟件及Simulink仿真的自動控制原理教學(xué)平臺

《自控控制原理》是一門理論和實踐都很強的課程。我們在授課時采用先介紹輸入信號基本形式，自動控制原理基本概念，基本分析方法及系統(tǒng)模型建立的順序，給出數(shù)學(xué)推導(dǎo)證明。同時將授課重點放在基本概念的建立和如何引出這個概念上，弱化推導(dǎo)公式，同時采用基于Matlab軟件及Simulink仿真的自動控制原理教學(xué)平臺進(jìn)行演示[4，5]。MATLAB是美國MathWorks公司推出的一款數(shù)學(xué)計算軟件。在自動控制系統(tǒng)的教學(xué)中，因為涉及到一些問題的計算和畫出相對應(yīng)的響應(yīng)曲線，所以完全可以利用MATLAB的強大計算功能和豐富的繪圖功能來解決以上問題[2]。Simulink（Dynamic System Simulation Software），即系統(tǒng)仿真工具箱。利用Simulink 進(jìn)行系統(tǒng)的模擬建模仿真，它的最大的優(yōu)點是易于掌握，更清晰直觀的反映系統(tǒng)運行整個過程及信號傳輸方式。因此該軟件非常適合引導(dǎo)學(xué)生動手操作，搭建系統(tǒng)并對系統(tǒng)進(jìn)行分析[5]。圖1是不同輸入信號對于同一個傳遞函數(shù)產(chǎn)生的輸出信號仿真平臺。同學(xué)可以調(diào)節(jié)輸入信號的不同類型及輸入幅度參數(shù)改變輸入信號，同時通過觀察輸出信號的特點進(jìn)而掌握傳遞函數(shù)的特性。同時同學(xué)們苛刻根據(jù)應(yīng)用背景自己設(shè)計傳遞函數(shù)形式，從而達(dá)到掌握線性時不變系統(tǒng)傳遞函數(shù)性能特性的掌握與深刻理解。

圖2反映的是控制系統(tǒng)零、極點對系統(tǒng)穩(wěn)定性及動態(tài)性能的影響關(guān)系。在此平臺上，同學(xué)們可以首先對信號的積分、微分、慣性等環(huán)節(jié)的特性加以理解，同時對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性及動態(tài)性能的調(diào)節(jié)進(jìn)行充分的實踐分析，從而達(dá)到深刻掌握自動控制系統(tǒng)時域分析的方法與設(shè)計理念。

三、結(jié)語

《自動控制原理》是一門重要的工科基本理論課程。將Matlab軟件及Simulink仿真引入實驗和課堂教學(xué)中，開發(fā)基于Matlab軟件及Simulink仿真的自動控制原理教學(xué)平臺，改變傳統(tǒng)的演示驗證性實驗?zāi)Ｊ健?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]臧強.MATLAB在《自動控制原理》課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國科技創(chuàng)新導(dǎo)刊，2011，（35）：65-66.

[2]呂廣紅.MATLAB在自動控制原理實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].輕工科技，2012，（1）：67-83.

[3]喬永鳳，王凱.MATLAB在自動控制原理教學(xué)中的輔助應(yīng)用[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2011，（25）：30-31.

[4]黎莉，張華敏.基于MATLAB語言的《自動控制原理》專題研究式教學(xué)探索[J].職業(yè)時空，2011，（7）：87-88.

[5]陳姝，劉景夏，胡冰新.MATLAB軟件在“自動控制原理”課程中的應(yīng)用[J].中國電子教育，2011，（1）：54-60.

基金項目：中國計量學(xué)院校改建設(shè)課題重點項目（HEX200702）