數(shù)字仿真技術(shù)在自動控制理論課程教學中的應(yīng)用

傅薈璇++池海紅+王宇超

摘要：針對自動控制理論課程理論性強、概念抽象、計算復(fù)雜等特點，利用MATLAB軟件將數(shù)字仿真技術(shù)應(yīng)用于自動控制理論課程教學中，給出了教學中的典型應(yīng)用實例，使教學直觀形象，加深了學生對自動控制理論的理解及所學知識的融會貫通。

關(guān)鍵詞：自動控制理論；數(shù)字仿真；課程教學

TP391.7；TP13-4

一、引言

自動控制理論課程是自動化專業(yè)學生的一門最重要的專業(yè)基礎(chǔ)理論課程。通過學習該課程，使自動化及其相關(guān)專業(yè)的本科生掌握控制理論的基本知識，學會控制系統(tǒng)的建模、分析及設(shè)計方法。自動控制理論課程理論性強，所學知識抽象，要在短時間內(nèi)使學生深入系統(tǒng)地學好課程，就需要改進教學方法和教學手段，提高教師授課水平和教學能力。

為了更好的激發(fā)學生的學習興趣，提高教學質(zhì)量，對該課程采用計算機輔助教學，將Matlab引入到自動控制理論教學中，將自動控制理論中的基本概念和原理用圖形化方式展現(xiàn)，以便對控制系統(tǒng)進行仿真與分析，加深學生對基本概念和理論知識的理解，激發(fā)學生學習自動控制理論課程的積極性，使抽象的理論變得形象具體，起到良好的教學效果。

二、自動控制理論教學方法現(xiàn)狀

自動控制理論課程的內(nèi)容豐富，涉及自動控制系統(tǒng)的基本原理、控制系統(tǒng)的數(shù)學建模、線性系統(tǒng)的基本分析方法、線性系統(tǒng)的設(shè)計校正方法、線性離散系統(tǒng)的分析與校正以及非線性控制系統(tǒng)分析等。傳統(tǒng)的自動控制理論教學方法是教師在課堂上通過板書及多媒體教學的形式講授理論內(nèi)容。通過 “填鴨式”教學，更多地注重于公式的推導(dǎo)、基礎(chǔ)理論的學習。正是由于這種死板的教學方法，使絕大部分學生感到課程內(nèi)容抽象，難以理解，影響了授課效果。

自動控制理論課程在講授過程中需要繪制的圖形較多，常規(guī)方法費時費力，一般只能定性地繪制出概略曲線，從而影響了學生的理解，難以激發(fā)學生的學習興趣。因此，如何在有限的課堂教學中盡可能多的把知識有效地傳授給學生，就必須有效地利用各種教學方法，讓學生對自動控制理論有具體直觀的理解，才會起到事半功倍的效果。因此，教師如何選擇、組織、處理教學內(nèi)容及教學方法，對于提高課堂教學效果具有重要作用。教師在教學的過程中，要對各種教學現(xiàn)象進行分析和歸納，對教學內(nèi)容和方法做出適當?shù)恼{(diào)整，使之更加適應(yīng)學生學習的需要。

三、運用現(xiàn)代化教學手段，提高教學效果

為使學生能夠正確理解有關(guān)控制理論的基本概念，掌握分析自動控制系統(tǒng)性能的基本方法并初步具備綜合設(shè)計較簡單自動控制系統(tǒng)的能力，不但需要選擇合適的教學內(nèi)容，還必須著眼于教學方法和教學手段上的改進。要注重現(xiàn)代教育技術(shù)手段的應(yīng)用，合理地運用現(xiàn)代信息手段，以提高教學效果。

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機多媒體技術(shù)在自動控制理論課程教學中的應(yīng)用，使得課堂教學變得形象生動。但是由于自動控制系統(tǒng)實例的復(fù)雜性，不能在一般的多媒體教學軟件中加入自動控制系統(tǒng)實例，所以現(xiàn)有的計算機多媒體教學軟件并不能從根本上解決加深學生對課堂所學內(nèi)容的理解問題，以及將系統(tǒng)響應(yīng)曲線及各項指標清晰地展現(xiàn)在學生面前。

因此，將理論授課和數(shù)字實驗仿真技術(shù)相結(jié)合，使學生直觀的看到仿真結(jié)果，得到控制系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系，從而對所學內(nèi)容有較深的了解，融會貫通，提高理論課程的授課效果。

1.數(shù)字實驗仿真平臺選擇

MATLAB 是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。

MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現(xiàn)的錯誤及進行出錯原因分析，極大的方便了用戶。

在自動控制理論課程中常采用各種圖形進行分析，這些圖形需要分析、計算、描點等過程，常常花費大量時間。因此，將MATLAB用于自動控制理論教學過程中，可方便的應(yīng)用MATLAB中Simulink工具建立控制系統(tǒng)模型，調(diào)用控制系統(tǒng)工具箱中的有關(guān)函數(shù)命令對系統(tǒng)進行時域分析、頻域分析、非線性環(huán)節(jié)特性分析等。采用MATLAB語言只需一條指令即可得到，并且可以幫助學生將抽象的知識具體化，也更容易讓學生理解。

2.基于MATLAB數(shù)字實驗仿真在控制系統(tǒng)分析中的應(yīng)用

在時域分析中，控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的性能，通常用系統(tǒng)對單位階躍輸入的響應(yīng)所定義的各項指標來表征。典型二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)是時域分析中的一個重要內(nèi)容（高階系統(tǒng)可在一定條件下轉(zhuǎn)化為二階系統(tǒng)來處理），系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能指標通常用上升時間（ ）、峰值時間（ ）、超調(diào)量（ ）、調(diào)節(jié)時間（ ）等指標來描述。阻尼比 不同時，系統(tǒng)對輸入信號的響應(yīng)也將呈現(xiàn)不同特性，而用MATLAB可以很輕松地描述響應(yīng)曲線。只需要將Simulink中的參數(shù)稍微修改就可以很方便的描述單位階躍響應(yīng)。下面以典型二階系統(tǒng)舉例說明，單位反饋控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為 。

設(shè)給定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

利用MATLAB繪制出不同k值下的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線，如圖2所示。分別取k=0.4，0.8，1，2，4，6從圖中可以看出，隨著k的增大，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線從單調(diào)無超調(diào)上升過程變成了震蕩收斂過程；隨著k繼續(xù)增大，阻尼比 越來越小，震蕩幅度越來越大。

利用MATLAB畫出上述系統(tǒng)的根軌跡。在MATLAB的命令窗口中輸入模型 ，然后調(diào)用rlocus（）函數(shù)，即可在圖形窗口中顯示出系統(tǒng)的根軌跡圖，如圖3所示。

用鼠標點擊圖形窗口中的根軌跡即可得到當前點對應(yīng)的根軌跡增益。從圖3中可以看出， ，系統(tǒng)穩(wěn)定。當 時，系統(tǒng)有一對兒負實根，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)應(yīng)為單調(diào)無超調(diào)上升過程，與圖2中的結(jié)論一致；當 時，系統(tǒng)有一對兒具有負實部的共軛根，單位階躍響應(yīng)為震蕩收斂過程，隨著k的增大，阻尼角增大，阻尼比 變小，震蕩幅度越來越大，與圖2中的結(jié)論一致。

通過MATLAB仿真，可以讓學生將時域分析與復(fù)域分析的知識聯(lián)系起來，使學生能夠?qū)λ鶎W的知識加深理解、融會貫通，提高課堂的授課效果。

四、結(jié)語

自動控制理論是自動化學科重要的專業(yè)基礎(chǔ)課， 運用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，改革傳統(tǒng)的教學方法和教學手段，將數(shù)字仿真技術(shù)引入自動控制理論的教學中，提高課堂教學效率，使學生能夠更加深入理解和靈活運用所學理論知識。利用MATLAB作為自動控制原理課堂實例仿真軟件，使抽象的理論變得形象具體，提高了學生的學習興趣，同時激發(fā)了學生學習自動控制原理的積極性，使學生與教師形成良好的互動，起到很好的教學效果。

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