MATLAB軟件在自動(dòng)控制原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

葉 鋒

江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院　江蘇鎮(zhèn)江　212013

MATLAB軟件在自動(dòng)控制原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

葉 鋒

江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院江蘇鎮(zhèn)江212013

為了使自動(dòng)控制原理課程不再是抽象的理論研究，而轉(zhuǎn)化為形象生動(dòng)通俗易懂的教學(xué)，使學(xué)生更加直觀地了解和學(xué)會(huì)相關(guān)的分析方法，引入MATLAB軟件。MATLAB不僅可以提供系統(tǒng)框圖模型的圖形交互環(huán)境，而且其參數(shù)的調(diào)節(jié)十分地方便。通過(guò)一些控制原理中的實(shí)例編程，對(duì)一些典型系統(tǒng)進(jìn)行根軌跡、時(shí)域、頻域等方面的研究，具體化抽象問(wèn)題，簡(jiǎn)單化解題過(guò)程，表現(xiàn)了MATLAB應(yīng)用在自動(dòng)控制原理課程教學(xué)中的方便優(yōu)越性。

自動(dòng)控制原理；課程教學(xué)；MATLAB

自動(dòng)控制原理是工科專業(yè)從基礎(chǔ)課到專業(yè)課之間過(guò)渡的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程不僅知識(shí)面廣、內(nèi)容豐富、理論性強(qiáng)、信息量大，而且十分的抽象。煩瑣的理論推導(dǎo)，復(fù)雜的繪圖理論和數(shù)學(xué)計(jì)算，讓許多學(xué)生感到十分難學(xué)。一部分人為應(yīng)付考試一知半解，只記住相關(guān)結(jié)論；一部分人由于課程難學(xué)也失去了對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣。據(jù)調(diào)查目前很多高校都采用傳統(tǒng)的“課堂講授”教學(xué)模式，有些教師用PPT教學(xué)翻閱太快，有些教師黑板板書(shū)雖然教學(xué)效果比PPT好，但浪費(fèi)不少時(shí)間，教師也感到難教。

MATLAB軟件提供了豐富的MATLAB語(yǔ)言函數(shù)，可以進(jìn)行高效的數(shù)值運(yùn)算，圖形生成等功能。在經(jīng)典控制理論中，可利用它提供的資源構(gòu)建各類系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的性能分析和仿真實(shí)驗(yàn)研究。

如果把MATLAB應(yīng)用于自動(dòng)控制原理課程的教學(xué)，不僅可以克服傳統(tǒng)教學(xué)的很多缺陷，提高了教學(xué)課堂的趣味性和交互性，而且利于引導(dǎo)學(xué)生深入掌握該課程的實(shí)質(zhì)，極大地提高了課堂效率以及實(shí)際動(dòng)手能力，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下良好的基礎(chǔ)。

1　自動(dòng)控制原理課程在學(xué)習(xí)過(guò)程當(dāng)中存在的問(wèn)題和難點(diǎn)

為了能夠更加深入詳細(xì)地了解學(xué)生在學(xué)習(xí)此門課程時(shí)所遇到的難點(diǎn)，筆者選取了江蘇大學(xué)學(xué)習(xí)該門課程的幾個(gè)工科強(qiáng)勢(shì)專業(yè)進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查。共發(fā)放問(wèn)卷100份，回收96份，有效問(wèn)卷93份，總結(jié)出學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的以下的難點(diǎn)。

（1）開(kāi)始接觸課程的時(shí)候，就感覺(jué)到此門課程理論性很強(qiáng)。抽象的概念，煩瑣的推導(dǎo)讓很多學(xué)生難以適應(yīng)。

（2）此課程需要用到高數(shù)里的微分方程的求解以及復(fù)變函數(shù)里的拉氏變換，而很多學(xué)生的高數(shù)、復(fù)變函數(shù)的相關(guān)知識(shí)都已淡忘。

（3）一些內(nèi)容的計(jì)算十分煩瑣（如頻域、時(shí)域等），如果沒(méi)有一些計(jì)算上的技巧，會(huì)很麻煩。

（4）相關(guān)的繪圖過(guò)程（根軌跡），只知道繪圖的步驟，但其實(shí)不知道為什么要這么做，一知半解。

另外，一些相關(guān)授課教師反映在教學(xué)中存在《根軌跡》《系統(tǒng)響應(yīng)》《頻率響應(yīng)》等章節(jié)，需要在黑板畫(huà)出大量的曲線，有時(shí)曲線很難用多種顏色區(qū)分開(kāi)，而且曲線的準(zhǔn)確性也難以保證，耗時(shí)費(fèi)力，影響課堂教學(xué)進(jìn)度，限制了學(xué)生的理解和掌握。

2　MATLAB在自動(dòng)控制原理課程中的應(yīng)用實(shí)例

2.1典型二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)中阻尼比對(duì)系統(tǒng)的影響

可以得出該系統(tǒng)的bode圖（如圖1所示）。

圖1

2.2系統(tǒng)根軌跡圖的繪制

可以繪制出其根軌跡圖像（如圖2所示）。

圖2

另外，也可以對(duì)根軌跡使用［k，poles］=rlocfind［n，d］操作，可以得到一個(gè)十字光標(biāo)，可以鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊根軌跡圖上的任意一處，就可以得到此點(diǎn)的增益值和此增益所對(duì)應(yīng)的閉環(huán)特征方程的根。MATLAB應(yīng)用在自動(dòng)控制原理課程中還有其他應(yīng)用：一是可以使用MATLAB方便的輸入連續(xù)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；二是應(yīng)用MATLAB軟件繪制控制系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)曲線，分析系統(tǒng)的時(shí)域特性；三是可以方便地求出系統(tǒng)的零極點(diǎn)，從而判斷該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免了相關(guān)的復(fù)雜運(yùn)算；四是應(yīng)用MATLAB軟件分析系統(tǒng)典型信號(hào)。

3　MATLAB應(yīng)用于課程改革的成效

MATLAB的引入可以給自動(dòng)控制原理課程教學(xué)帶來(lái)許多明顯的幫助。

（1）在教學(xué)實(shí)踐中，很多時(shí)候都以圖解法為主分析系統(tǒng)的性能，通常需花不少時(shí)間繪制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)曲線。現(xiàn)在可以應(yīng)用MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算功能，迅速輕松地繪制系統(tǒng)的曲線，并能動(dòng)態(tài)地演示這些曲線隨著參數(shù)調(diào)節(jié)的變化趨勢(shì)。

（2）很多學(xué)生對(duì)引入MATLAB平臺(tái)的自動(dòng)控制原理課程持肯定態(tài)度。學(xué)生不再有畏難的情緒，深刻理解所學(xué)內(nèi)容，課堂氛圍和學(xué)習(xí)效果大為改善，聽(tīng)課效率明顯提高。

（3）MATLAB的應(yīng)用還培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，使學(xué)生在實(shí)際操作過(guò)程中既能夠深刻學(xué)習(xí)到理論知識(shí)，又能學(xué)會(huì)從實(shí)踐中獲得知識(shí)的能力。

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)MATLAB語(yǔ)言的引入，采取合理的現(xiàn)代化技術(shù)手段，能夠把復(fù)雜的計(jì)算、煩瑣的推導(dǎo)轉(zhuǎn)化為直觀的圖形，使得教學(xué)不再抽象枯燥，而變得十分新穎、靈活。學(xué)生在學(xué)習(xí)理解的過(guò)程中手腦并用，很多作業(yè)也可以通過(guò)MATLAB計(jì)算繪圖解題，既提高了效率，又大大調(diào)動(dòng)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。另外很多學(xué)生漸漸熟悉使用MATLAB這款目前工科十分熱門的軟件，提高了編程能力，為以后的學(xué)習(xí)或者工作打下了良好的基礎(chǔ)。

專業(yè)基礎(chǔ)課的教學(xué)改革是一個(gè)不斷探究、不斷創(chuàng)新的艱辛歷程，對(duì)自動(dòng)控制原理所提出的改革只是一次初步的探索，未來(lái)還有很多工作和實(shí)踐需要更深層次的改進(jìn)和完善。不斷用新理論、新方法、新技術(shù)調(diào)整教學(xué)方法，進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量，讓學(xué)生真正學(xué)到知識(shí)和方法。

［1］ 孫炳達(dá).自動(dòng)控制原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［2］ 薛定宇，陳陽(yáng)泉.基于Matlab/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002.

［3］ 阮謝永.Matlab 仿真應(yīng)用于“自動(dòng)控制原理”教學(xué)的實(shí)踐［J］.中國(guó)電力教育，2010（12）：81-82.

［4］ 李遠(yuǎn)生.基于Matlab自動(dòng)控制系統(tǒng)建模與仿真［J］.湖南電力，2011（3）：15-17，24.

［5］ 劉永強(qiáng)，董翠敏.淺談《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)改革［J］.湖南農(nóng)機(jī)，2008（1）：83-85.

MATLAB Software in the Application of Automatic Control Principle Course Teaching

Ye Feng
School of Energy and Power Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， 212013， China

In order to make the automatic control principle no longer abstract theoretical research and teaching become easy to understand， to make the students more intuitive to understand and learn relevant analysis methods， matlab software is introduced. Matlab can provide the system block diagram model of graphic interactive environment， and it's parameters adjustment is very convenient. Through some examples of programming in the control principle， and researches about some typical systems， such as root locus， time domain and frequency domain research， specifc abstract problem， simplify the problem solving process， which illustrates that the Matlab application in the teaching of automatic control principle is convenient.

principle of automatic control； course teaching； MATLAB

2016-03-09

葉鋒，本科，助教。