MATLAB在《自動控制原理》教學中的應用

摘要:本文分析了當前成教《自動控制原理》課程教學方法的不足，提出在《自動控制原理》課程中引入MATLAB仿真教學方法，并通過具體的教學實例說明該方法在教學效果和教學效率上的優勢。

關鍵詞:MATLAB 自動控制原理 教學方法

《自動控制原理》是電氣工程、自動化、儀器與儀表、電子信息、機電一體化等專業的重點課程。該課程理論知識的邏輯性很強，帶有方法論的特點，同時又和工程實踐密切相關，在《自動控制原理》教學中應該采取能夠及時反映自動控制領域新技術、新成果和新內容的教學方法。而在目前成人教育專業課學時不斷壓縮的背景下，如何提高課堂教學效率也成為我們研究和探索新型教學方法時應該著重考慮的問題之一。

1 教學現狀及改進方法

《自動控制原理》課程內容理論性強、公式應用靈活、前后聯系緊密，且要應用大量的物理及高等數學相關知識。這與成人教育中學員學習基礎參差不齊形成鮮明的矛盾。僅通過一張黑板一支粉筆，按部就班傳統教學方式，使絕大多數學員感到課程內容抽象，難以理解。隨著計算機多媒體技術在教學中的應用，教學軟件在一定程度上豐富了教學手段，但由于自動控制原理實例的復雜性，現有的《自動控制原理》計算機多媒體軟件，并不能從根本上解決本課程的理論教學與工程實踐脫節的問題。

MATLAB是由MathWorks公司開發并推出的程序計算語言，它不僅集數值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，并且一直面向控制理論和控制工程為其核心應用領域。目前MATLAB的應用已從經典控制理論的應用發展到最優控制、系統辨識、模型預測控制、魯棒控制、神經網絡控制、模糊控制等領域[1]。

2 MATLAB在《自動控制原理》教學中的應用

MATLAB包含了進行控制系統分析與設計所必須的工具箱函數，可以分析連續系統，也可以分析離散系統，并可以進行極點配置控制器設計和最優控制系統設計等多項操作。現以連續系統中的時域分析法、頻域分析法及根軌跡分析法為例介紹。

2.1 時域分析應用[2][3] 時域分析法是根據自動控制系統微分方程求解系統動態響應的過程曲線以及響應指標，運用解析法進行分析時，其數學推導過程比較復雜，需要進行大量的人工計算，作為課堂教學，若在計算和推導過程中花費過多的時間，教師的教學容易顯得主次不清，學生往往把注意力集中在數學推導過程上，而對真正需要理解和掌握的概念規律，卻被忽略了。

如:某單位負反饋控制系統該系統的閉環傳遞函數為

G(s)=

應用MATLAB繪制其階躍響應特性曲線，并從響應曲線上找到該四階系統的最大超調量σ%、延遲時間td、上升時間tr、峰值時間tp和5%及2%誤差帶下的調節時間ts。在MATLAB中編寫程序如下:

h=tf(180*[1，1]，[0.006，0.5006，10.05，181，180])

step(h)

程序運行后，顯示的特性曲線如圖1所示。

單擊曲線上任意點并沿曲線拖動之，能夠動態顯示曲線上點的狀態。由顯示值得:最大超調量σ%=28%、延遲時間td=0.072s、上升時間tr=0.117s、峰值時間tp=0.179s、5%誤差帶下的調節時間ts5=0.285s和2%誤差帶下的調節時間ts2=0.666s。

2.2 根軌跡法應用 根軌跡法是分析和設計線性定常控制系統的圖解方法，但繪制根軌跡步驟較多，需要求出系統的零、極點和分離點。當系統傳遞函數的分子或分母為高次方程時，使用代數法求得系統的零、極點和分離點比較困難。系統零、極點和分離點若不能確定，根軌跡也就無法繪制。MATLAB工具可以很方便繪制控制系統的根軌跡，函數命令rlocus(g)。同時，通過grid的選項可得到等ζ線族和等ωn線族的根軌跡。

如某單位負反饋開環傳遞函數為G(s)=試繪制閉環系統的根軌跡。

在MATLAB中編程序為

num=[1，1];

den=conv([1，4，8，0]，[1，3]);

g=tf(num，den);

rlocus(g)

3 MATLAB在自動控制原理中的合理應用

引入MATLAB多媒體輔助教學手段，可在課堂教學中對控制系統進行直觀仿真，便于理解和掌握，增加課堂教學的信息量，使學員開闊思路和眼界，充分調動學員學習的積極性、主動性，為課堂教學提供了活力，提高課堂效率。但是自動控制理論的教學有其自身的特點，如理論推導過程和習題演算要依靠傳統的教學模式，以板書的形式展現給學生便于學生理解與掌握。因此，應更多采用MATLAB多媒體教學和黑板教學相結合的方法，發揮各自的優勢，以取得更好的教學效果。

參考文獻:

[1]任彥碩，自動控制原理[M]，機械工業出版社.2007.

[2]梅雪等，基于MATLAB的自動控制原理課程建設[J].電子電氣教學學.2005.

[3]尹瑞竹，Matlab軟件在自動控制原理教學中的應用[J].學術論壇.2007.