MATLAB在“自動控制原理”實驗教學中的應用探析

朱婕 韓芳

摘 要：自動控制原理是十分重要的課程之一，其實驗教學開展的教學效果將直接影響到自動控制原理課程的教學效果與教學目標的實驗。傳統(tǒng)自動控制原理實驗箱無法拓展，受環(huán)境限制影響較大，難以指導學生深入了解參數(shù)變化與系統(tǒng)性能之間的關(guān)系等缺陷提出了在自動控制原理實驗教學中運用MATLAB，以彌補傳統(tǒng)實驗箱開展實驗教學的缺陷，同時激發(fā)學生參與自動控制原理實驗的興趣，全面提高學生綜合實踐能力與獨立探索思維。

關(guān)鍵詞：MATLAB；自動控制原理；實驗教學

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.183

自動控制原理課程是電氣工程及其自動化控制專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，直接影響到學生是否能夠真正掌握電氣工程自動化控制的核心。在自動控制原理課程中實驗教學是十分關(guān)鍵的，其能夠?qū)⒆詣涌刂圃碚n程中晦澀、抽象的理論用于指導實踐，讓學生在形象、直觀的實驗過程中學會理論聯(lián)系實際，從而獲得更強的實踐能力。MATLAB是一種常用的軟件，在自動控制原理實驗教學中運用MATLAB可以進一步提升自動控制原理實驗教學的實效性。

1 “自動控制原理”實驗教學

教育不僅僅是概念性的，同時也是經(jīng)驗性的、操作性的。學生在學習過程中往往都需要通過直接的操作經(jīng)驗、具體事例以及實際應用才能夠提升學習質(zhì)量。自動控制原理是一門電氣工程與自動化專業(yè)中的基層課程，在電氣及其自動化專業(yè)中占據(jù)著十分重要的地位。自動控制原理課程的主要教學內(nèi)容涵蓋了控制系統(tǒng)的數(shù)學模型、非線性系統(tǒng)分析、頻率法等。自動控制原理課程概念抽象、計算復雜、涉及數(shù)學計算難度大，學生在學習過程中總是難以完全理解[1]。在自動控制原理課程教學中實驗教學是不可或缺的重要教學環(huán)節(jié)，是自動控制原理理論與實踐的橋梁。在自動控制原理教學中重視實驗教學不僅僅可以使得學生對自動控制原理中的理論有更加深入的理解與把握，同時還可以將理論與實踐緊密的聯(lián)系起來，有效提升自動控制原理課程的教學質(zhì)量，同時使得學生對自動控制原理課程更有興趣。傳統(tǒng)的自動控制原理實驗教學所采用的都是電子模擬實驗箱裝置。實驗箱面板上連接了相應環(huán)節(jié)所構(gòu)成的控制設(shè)備，教師與學生可以在示波器中觀察系統(tǒng)的響應并且計算不同的性能指標。這種傳統(tǒng)的實驗教學法可以提高學生的動手能力，讓學生對自動控制原理課堂中的內(nèi)容鞥更加了解，但是實驗教學效果卻不慎理解，學生僅僅按照實驗模擬電路圖進行接線難以激發(fā)學生的學習積極性與主動性。

2 MATLAB在"自動控制原理"實驗教學中的應用

2.1 MATLAB軟件

MATLAB是一種常見的商業(yè)數(shù)學軟件，主要用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)值計算等高級技術(shù)計算語言與交互式環(huán)境當中，其可以進行函數(shù)繪制、連接其他編程語言程序，可以被廣泛運用在工程計算、控制設(shè)計、信號檢測等領(lǐng)域，當然也可以被用于教育領(lǐng)域，作為自動控制原理的實驗教學工具。在自動控制原理實驗教學中利用MATLAB軟件進行仿真實驗，則可以獲得與理論相對應的響應結(jié)果。教師還可以將獲得的結(jié)果與傳統(tǒng)實驗箱操作的結(jié)果進行對比，讓學生發(fā)現(xiàn)在實驗過程中的問題，同時鍛煉學生的思考、探索能力[2]。

2.2 MATLAB在自動控制原理實驗教學中的應用

MATLAB中的Simulink是其中的附加組件，主要用于提供系統(tǒng)級別的建模與動態(tài)仿真工作平臺。通過模塊組合的方式讓用戶能夠在短時間準確的構(gòu)建動態(tài)系統(tǒng)。用戶只需要在模型窗口上調(diào)節(jié)出不同系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，并且使用連線將其連接起來，就可以快讀的進行系統(tǒng)仿真分析。Simulink的模型展現(xiàn)方式與自動控制中的方框圖表現(xiàn)方式十分接近，能夠進一步簡化編程的流暢，更加形象、靈活、直觀。在自動控制原理實驗教學中教師可以先組織學生使用MATLAB中的Simulink進行實驗房展，然后再使用電子模式實驗箱進行模擬，然后將兩者的結(jié)果進行對比，以便讓學生在深入對比的過程中進行更加系統(tǒng)的分析。

在自動控制工程中二階系統(tǒng)的運用十分普遍，很多高階系統(tǒng)在一定環(huán)境下都可以近似為二階系統(tǒng)進行分析。因此，對二階系統(tǒng)進行分析對于自動控制原理十分重要[3]。

實驗觀察二階系統(tǒng)在參數(shù)ωn與ξ不同取值的情況下單位階躍響應曲線，同時分析參數(shù)ωn與ξ對系統(tǒng)性能的影響。

當輸入不同時對其單位階躍響應進行比較與房展。當ωn=1的時候，取ξ=0，0.2，0.5，0.7；然后使得ξ=0.7，ωn=2，4，6，8，10的情況下觀察系統(tǒng)單位階躍響應曲線。

3 結(jié)束語

將MATLAB運用到自動控制原理實驗教學中可以使得學生更加直觀、更加形象的掌握自動控制的原理與性能，充分明確自動控制實驗過程中參數(shù)的變化，形象的分析出參數(shù)的改變對自動化控制性能的影響。不僅僅有力的激發(fā)了學生的創(chuàng)造能力與學習積極性，同時還使得學生擁有一定的分析力、設(shè)計力與自動調(diào)控系統(tǒng)的能力，全面提升了自動化控制原理實驗教學的效率，獲得了理想的實驗教學效果。同時，MATLAB在自動控制原理實驗教學中的運用還是得實驗教學更加靈活，突破了傳統(tǒng)自動化控制原理實驗教學對場地、設(shè)備的限制，從而進行更多內(nèi)容與更多形式的實驗。

參考文獻：

[1]劉云龍，王瑞蘭，劉麗君，王文成.基于Matlab仿真的自動控制原理實驗教學改革[J].實驗室研究與探索，2015，34（06）：102-106.

[2]龔錦紅.MATLAB在《自動控制原理》教學與實驗中的應用[J]華東交通大學學報 ，2006，23（b12）：137-139.

[3]王憲磊.MATLAB在機械類專業(yè)《自動控制原理》課程教學中的應用[J].甘肅科技，2016，32（06）：39-41.

作者簡介：朱婕（1981-），女，安徽淮南人，碩士，實驗師，研究方向：電子、自動化。