MATLAB在《自动控制原理》教学中的应用

刘珺蕙

摘 要：自动控制理论是电气工程及其自动化专业的主要专业基础课程之一，是一门理论性和工程性的综合科学。这门课理论性较强，概念抽象，学生在学习过程中不能很好地理解掌握。为了使学生能更好的学习自动控制原理，在教学中引入MATLAB软件，使抽象的理论研究转化为形象生动通俗易懂的教学。该课程利用MATLAB软件丰富的功能函数、灵活的编程和调试手段以及强大的人机交互和图形输出功能，可以实现对控制系统直观和方便的分析和设计。通过教学过程中的实例编程，对一些典型系统进行根轨迹、时域、频域等方面进行研究，将抽象问题具体化，简化了解题过程，由此MATLAB便显现出了在自动控制原理课程教学中的优越性。

关键词：MATLAB 仿真 自动控制原理 教学

中图分类号：G420 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）05（b）-0175-02

自动控制技术广泛应用于国民经济的各个部门，而《自动控制原理》是研究自动控制技术共同规律的一门技术科学，是对自动控制系统进行分析和设计的基础，其重要性是显而易见的。然而自动控制原理课程知识面广、内容丰富、理论性强、信息量大，而且十分的抽象。烦琐的理论推导，复杂的绘图理论和数学计算，让许多学生感到十分困惑。MATLAB仿真是理论联系实际的重要纽带，目前国内许多教学工作一线的老师们都关注这一问题[1-2]。在教学过程中穿插MATLAB仿真，一方面使课堂教学更加直观形象，便于学生理解学习，另一方面可以提高学生使用仿真软件解决问题的能力。

1 MATLAB软件的特点[3]

MATLAB软件是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，它的特点是可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序，其编程相对简单易学等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

2 MATLAB在自动控制原理课程中的教学实例

2.1 控制系统典型环节性能分析

自动控制原理的分析设计都是基于一些典型环环节，正确理解掌握典型环节的性能，对课程后续内容的学习至关重要。

本节通过Matlab得到二阶振荡环节的阶跃响应曲线为例，来展现其在课堂教学中的应用。

由于Matlab本身具有强大的函数库，对于单位阶跃响应而言，我们可以直接调用里面现成的函数来实现其功能。

对于二阶振荡环节，当时，分别取和为例，利用MATLAB命令求得阶跃响应曲线。

程序如下：

>>G1=tf（[0，0，25]，[1，4，25]）；

>>G2=tf（[0，0，25]，[1，6，25]）；

>>t=0：0.1：5； % 从0到5每隔0.1取一个值。

>>y1=step（G1，t）； % 动态响应的幅值赋给变量y1。

>>y2=step（G2，t）；

>>plot（t，y1，'r--'，t，y2，'b*'）； % 绘二维图形。

>>xlabel（'Time （s）'）；

>>ylabel（'Amplitude'）；

>>legend（'Unit-Step Response of G（s）=25/（s^2+4s+25）'，'Unit-Step Response of G（s）=25/（s^2+6s+25）'）；基于上面的程序，我们得到图像1：

从单位阶跃响应来看，若二阶振荡环节的相同，越大，超调量越小，响应越快。

由这些仿真结果，可使学生了解到当参数变化时，系统所呈现的动态特性将发生变化，这有利于学生加深对于书本理论知识的理解。

2.2 自动控制系统的根轨迹分析

利用根轨迹法可以分析闭环系统的稳定性，计算（或估算）闭环系统的暂态和稳态性能指标，确定闭环系统的某些参数对于系统性能的影响以及对闭环系统进行校正等。运用绘制法则手工绘制根轨迹有时较复杂，但利用Matlab语言，简单的几条命令，就可以得到根轨迹，从而方便的进行系统性能的分析。

设系统的开环传递函数为：，绘出该系统的根轨迹图。程序如下所示：

>>num=1；

>>den=conv（[1 0]，conv（[1 -1]，[1 5 25]））；

>>sys=tf（num，den）； %建立一个传递函数，其中分子和分母分别为num和den

>>figure（6）

>>rlocus（sys） %繪制开环传递函数的根轨迹

基于上面的程序，根轨迹图如图2所示。

3 结语

通过以上的仿真实例，我们发现Matlab为我们学习自动控制原理提供了方便。通过利用Matlab这一强大的仿真工具，可以使枯燥的理论教学变得形象生动，在很大程度上提高了学生们的学习热情。同时，Matlab还可以作为其他工科大部分专业基础课的辅助分析学习的工具。在教学过程中，不断探索新方法、新技术，及时调整教学手段，让学生更好地掌握所学内容。

参考文献

[1] 陈超洋， 周少武， 欧青立，等. MATLAB/SIMULINK 在课堂教学中的应用探究[J]. 当代教育理论与实践， 2016， 8（10）：85-88.

[2] 孙萍.MATLAB仿真在《自动控制原理》课程教学中的应用[J].吉林建筑工程学院学报，2015，32（2）：105-107.

[3] 张萍，吴楠.MATLAB在《自动控制原理及系统》教学中的应用[J].科技视界，2015（33）：159-160.