基于MATLAB仿真的自動控制原理課堂教學應用

陳超洋　李伊惠　周少武　歐青立　鐘斌

摘 要：本文基于MATLAB軟件，首先闡述了其在教學中的優勢及應用現狀，然后對MATLAB仿真在自動控制原理課堂教學中的應用進行論述，最后通過一個應用實例，反映出MATLAB有著比傳統教學更為直觀、快速的特點。

關鍵詞：MATLAB仿真；自動控制原理；課堂教學

MATLAB是一種集數值計算、圖形可視化和符號計算三大基本功能于一體的，功能強大、操作簡單的工程計算應用軟件，不管是在工程實例仿真還是數值演算等方面，都有著出色的表現及應用。

近年來，基于MATLAB仿真的輔助教學也相當廣泛，通過MATLAB軟件的應用給課堂教學帶來一個全新視角。MATLAB軟件的應用能為教學提供強有力的支撐，也能為學生將來從事科研及工程實踐打下堅實的基礎。

一、MATLAB仿真在自動控制原理課堂教學中的應用

MATLAB仿真在自動控制原理教學中的應用，通過形象、生動的波形演示使分析方法更為便捷，為自動控制原理教學提供了一種全新的教學視角。

利用MATLAB仿真編寫一些教學軟件應用于自動控制原理教學，可使學生通過不同參數的變化了解系統性能的變化。這樣，學生不僅僅只是通過文字描述來理解相關概念及性質。例如，對于幾類穩定判據（代數穩定判據、根軌跡穩定判據、奈奎斯特穩定判據和對數頻率穩定判據），它們在使用時必須經過大量的數學計算或精準繪圖才能依據判據對系統的穩定性進行判斷，應用MATLAB軟件就會方便地實現這些要求。

此外，在系統的性能分析方面，對于系統的調節時間計算、超調量的確定、振蕩次數多少、穩態誤差的分析等，以上這些過程比較抽象并且難以理解。通過傳統的方法學習相對困難，并且煩瑣的數學計算和系統分析，導致學生學習積極性下降，影響課堂教學效率。所以，如果能將MATLAB軟件融入課堂教學中，將對改善教學有著很大的幫助。

二、MATLAB仿真在自動控制原理教學中的應用實例

例：對于下面典型二階系統的閉環傳遞函數

其中ωn=5，試繪制系統在ξ=0.1，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，3.0時的單位階躍響應情況。

MATLAB程序如表1。

不同阻尼比下，閉環系統的單位階躍響應曲線如圖1所示。

由上面的應用實例可以看出，通過MATLAB軟件可以快速、直觀、準確地給出自動控制原理課堂教學需要展示的變化圖形，教師可以形象地給學生講解參數變化對于系統性能的影響，從而極大地提高學生學習的積極性。

當學生對于MATLAB軟件的編程有了進一步了解之后，可以激發學生的創新能力，例如，搭建和設計自己特有的模型等，這對于培養學生的動手能力和創新意識有著重要的作用。

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基金項目：湖南省教育廳科研一般項目（編號：15C0548，15C05

58），博士啟動基金（編號：E51538），國家自然科學基金（編號：61503133）。