自动控制理论与Matlab软件相结合的教学研究

马玉龙何 凤.桂林理工大学机械与控制工程学院　广西桂林　54004.西南民族大学艺术学院　四川成都　605

自动控制理论与Matlab软件相结合的教学研究

马玉龙1何 凤2
1.桂林理工大学机械与控制工程学院广西桂林541004
2.西南民族大学艺术学院四川成都610225

自动控制理论是高等学校自动化、电气控制、机电一体化等专业非常重要的基础课程。针对目前该课程在教学中单一板书教学存在的问题，提出了将控制理论课程教学与Matlab软件相结合的教学改革思路。首先分析了自动控制理论课程的特点及教学存在问题，然后介绍了Matlab软件的特点和功用，最后分析并用教学实践例证了该教学改革思路的可行性。

自动控制理论；Matlab/Simulink；教学改革12

自动控制理论课程是自动化、电气控制、机电一体化等专业重要的专业基础课程，随着现代工农业、航空航天及科学技术迅速发展，对自动控制系统的性能要求越来越高，从而推动了自动控制理论的迅速发展。

1　自动控制理论课程特点及教学存在问题

现代科学技术的迅速发展，推动了自动控制理论和技术的迅速发展，已经广泛应用于导弹制导、航空航天、工农业生产、交通运输等国计民生的各个领域。自动控制理论课程是自动化专业以及相关专业本科生的一门必修的专业基础课，该课程以高等数学、工程数学以及电路分析等课程为基础背景，其教学影响着专业后续课程的学习。

自动控制理论[1]课程数学知识含量大，其理论推导以及结果繁杂难，晦涩难懂，而且采用的传统教学手段——单一板书教学。学生经常要耗费巨大的精力在计算公式的熟练，以便理解和巩固教学内容，注重理论推导却忽略变换过程的本质，导致工程概念薄弱，使得课程培养学生素质能力的目标偏置，学生学习的积极性降低。

2　课堂教学改革分析

教学首先面对的是学生，因此要了解学生的心理，尤其是学习心理。现在的学生对于感官的刺激要求非常之高，单靠板书来教学已经难以在吸引学生的注意力。其次教育要面向现代化，面向未来。随着计算机技术的发展，其应用已深入到各个领域，因而课堂教学必须跟上时代潮流，与时俱进，不能墨守成规，充分利用现代化技术手段进行教学改革，提高教学效率与效果。

2.1matlab语言介绍[2，3]

Matlab为“矩阵实验室(MATrixLABoratoy)”英文简称，是美国Mathworks公司推出的集通用科学计算、图形交互、系统控制和程序语言设计为一体的软件。在计算机辅助分析设计、仿真、数据处理等领域，为当今科技领域优秀应用软件之一。Matlab编程灵活、高效，是一种既可交互使用又能解释执行的高级语言，简单易学，具有可靠的数值、符号运算能力和强大的数据可视化功能；matlab还包括许多专业性较强的工具包并与其他高级语言有接口，已经成为应用学科计算机辅助分析、设计、仿真不可缺少的基础软件。在国外高校，已经成为自动控制理论、数据统计、数字信号处理等课程的基本教学工具。

2.2自动控制理论教学中适合Matlab辅助教学的特点

(1)在控制理论及控制系统里经常遇到计算课题，如矩阵运算，复数运算，求解微分方程，数值运算，最优化控制方法等等，计算复杂而且难以得到精确解析。Matlab运算能力强大，提供强大的数值计算功能，这些都是Matlb计算的优势，就这一点就已经与自动控制密切联系在一起。

(2)控制理论的发展及技术的应用，使得自动控制的概念遍及生产生活的方方面面，包括专家系统、智能控制理论及系统。Matlab提供强大的工具箱，包括世界上从事控制的专家开发的具有特殊功能应用的工具箱，已成为自动控制计算与仿真的强有力工具。

(3)控制理论随科技发展仍在不断的扩充发展，新的前沿理论与技术仍不断地完善突破。Matlab也提供了内容丰富和强大的扩充能力，使用者可以为实现新功能或特殊功能开发编制软件程序并将其发布。

(4)自动控制本身就是深奥难懂的理论，其系统实现问题的研究要耗费大量的时间和精力。Matlab语言具有语句简单，极其容易学习与使用，掌握方便的特点，是一个理想的工具。

(5)自动控制理论的学习及系统实现需要对大量数据进行处理、分析和可视化，处理方法和手段也多样。Matlab具有强大的绘图功能，可以轻而易举完成重复、烦琐的计算与绘图，且数据计算准确，图形绘制精确完美，适合从事控制专业的人使用。

3　教学改革内容实践及例证

在教学中，如果将Matlab 语言和自动控制理论教学有机无缝地结合起来，既降低了自动控制理论的抽象性，增加了教学的趣味性，又让学生在课堂教学中轻松学会使用Matlab编程工具，锻炼了学生的动手能力。在此我们只以教学实践中自动控制理论几个典型的例子来例证改革内容及效果。

3.1课堂教学——系统的动态响应及性能指标

图1为二阶系统的动态性能及性能指标，从图中我们可以看到对于系统的动态性能有很多的指标来做评价，且指标的定义及计算公式也很烦琐。如果利用Matlab就可以动画来演示各个指标的计算及意义，使得课堂教学内容一目了然，且生动有趣。还可以改变系统的参数来演示不同系统的指标变化，从而加深对指标及系统动态性能的理解记忆，以达到提高教学效率的目的。

课后给学生布置一些习题，让学生利用Matlab进行处理，以此培养和锻炼学生应用计算机辅助分析和设计控制系统的能力。

3.2实验教学——控制系统的bode图

在自动控制理论课程教学中，一个不容忽视的重要环节——实验课，可使学生通过课程实验增强动手能力，能更好地理解和掌握课程内容。现有的硬件实验存在局限性，淡化软硬件实验的区别，充分利用现代计算机技术，突破课程实验的内容限制，增加设计性、工程性和综合性实验，采用虚拟实验，提高实验效率，培养学生的科研、工程素质和开拓创新意识。

图1　二阶系统的动态性能及性能指标

以教学实例来证明。由于Matlab有专门的bode图绘图函数，很简单就可以完成，且可以绘制几个系统的bode图进行比较来理解系统参数对系统特性的影响，图示效果很好。

为了能够求解，学生需要进行理论推导稳定裕度γmax与增益K的关系，然后利用Matlab对系统进行分析和求解，并作图演示结果，结果如图2所示。

图2　 系统bode图分析及最大稳定裕度γmax时增益K

Matlab中的TOOLBOX工具箱及SIMULINK集成仿真环境是对控制系统进行虚拟仿真的优良平台和环境。利用Matlab中的TOOLBOX以及SIMULINK进行系统仿真，让学生进行课题设计，激发其学习兴趣，增强其借助计算机进行工程设计的能力。

4　结束语

现在教学课时被大量缩减，教学内容要在更短的时间内讲授，对于课堂教学的改革势在必行。使学生在有限的课堂时间能掌握尽可能多的知识和技能，优化学生知识结构、能力结构和素质结构就必然成为教学改革重点。在自动控制理论教学过程中，针对自动控制理论课程内容的特点，使学生明确分析目的，抓住重点和核心内容，实现控制、物理和工程概念的统一，充分培养学生利用自动控制理论分析问题、解决问题的能力。将Matlab和自动控制理论相结合进行课堂教学改革实践，一方面丰富教学内容、增强课堂教学的趣味性，让学生直观地理解和领会控制理论，提高其学习兴趣和积极性；另一方面利用Matlab对控制系统进行分析、设计与仿真，使学生加深对所学内容的理解，增强其动手能力，提高其实际工程设计能力。

[1] 胡寿松.自动控制原理[M].北京:国防工业出版社，1999.

[2] 张志涌.精通Matlab6.5版[M].北京:北京航空航天大学出版社，2006.

[3] 薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助分析[M].第二版.北京:机械工业出版社，2009.

[4] 杨夷梅，杨玉军.Matlab教学中的方法与实践[J].中国电力教育，2008，12(3):59-60.

[5] 平怡.Matlab在大学数学教学中的应用研究[J].湖北广播电视大学学报，2008(4):135-136.

[6] 王冬梅，刘帅师，黄艳秋.现代控制理论课程教学改革探索[J].长春工业大学学报:高教研究版，2011(3):50-51.

[7] 潘矜矜，杨小劲.Matlab与《信号与系统》课程教学改革的探讨[J].福建电脑，2009(2):206-207.

[8] 党宏社.控制系统仿真[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.

Study on Teaching of Automatic Control Theory Combined with thematlab Software

Ma Yulong， He Feng
1.Guilin University of Technology， Guilin， 541004， China；
2. Southwest University for Nationalities， Chengdu， 610225， China

，Automatic Control Theory is a very important foundation course tomany professions such as automation， electrical control，mechanical and electrical integration. According to the problem of the course still used the single form of blackboard in current teaching， this paper proposes a new reform thought that combination of control theory curriculum teaching withmatlab software in teaching. The article first analyzes the characteristicsof Automatic Control Theory and the problems in actual teaching， then introduces the features and functions ofmatlab software，and finally analysis and exemplify the feasibility of this teaching reform idea in teaching practice.

automatic control theory；matlab/Simulink； teaching reform

2014-12-23

马玉龙，博士，讲师。

广西高等教育教学改革工程项目(编号：2012JGB148)。