基于MATLAB/SIMULINK在控制工程基础中的教学应用研究

张敬 李圣 周洪波

摘 要 “控制工程基础”是一门有很强的理论知识和需要一定实践要求的专业基础课，传统的“控制工程基础”课程更侧重于理论教学，会涉及到很多的数学公式，计算起来相当繁琐，这在一定程度上会降低学生对学习这门课程的热情和兴趣。将MATLAB引入到“控制工程基础”课程的理论与实践中，通过MATLAB来计算复杂的数学公式，即解决了理论教学过于枯燥、难理解的窘境，又提高了学生在学习这门课程的积极性和激发学生对学习MATLAB软件的热情。

关键词 控制工程基础 MATLAB/SIMULINK 教学改革

中图分类号：G473文献标识码：A

0引言

“控制工程基础”适用于工科类专业学生学习控制理论，也适用于对控制理论有兴趣并希望尽快掌握其基本内容的其他学生。

随着现代科技的发展，控制理论已经渗透到国民经济的各个方面，在机械工程领域，控制理论更是得到了广泛的应用。

學生在学习这门课程时需具备其他学科的知识，如数学、物理学、力学等知识。所以，学生需要比较好的理论基础。如果将MATLAB引用到这门课程中，在一些简单但费时的数学运算可以利用MATLAB来完成，在充分利用这一数学工具的同时，让学生会更加深刻理解控制理论的各种概念与设计思想。

1内容概要

“控制工程基础”包括控制理论的基本概念、时域分析、反馈控制系统性能、根轨迹分析、频域分析、控制系统设计、系统稳定性、状态空间基础以及线性离散系统分析等基本内容。

2教学模式

2.1课堂教学的现状

一方面，现在教学方式主要是教师通过书本或是PowerPoint的方式讲解知识点，虽然PowerPoint在一定程度上方便老师讲解知识点，但它本身还是存在一些不足的，如涉及较复杂的数学计算、一些动态设计、图形和仿真等，PowerPoint很难很好的把它表述明白。所以，老师在教学过程会感觉吃力，学生听课过程会感觉不知所云，会让学生产生一种退缩的心态，认为很难去掌握这个知识点，从而导致学生抵触学习这门课。

另一方面，学校开设的验证实验课也有需要改善的，如：因为没有掌握好相关的理论知识，所以在做实验的时候，学生在面对一些实验器材和设备时，有种无从下手的感觉，然后通过老师简单的描述，被动连接电路，无法有效对参数进行调整; 实验设备会存在老化、单一的问题，这就造成学生无法完成一些探究性的实验。所以，在课堂教学时，应该让软件与老师讲解结合起来，采用MATLAB软件来简化一些复杂的数学计算，用SIMULINK来对一些模型进行仿真，这样会让学生在学习感到轻松的同时，又能够掌握对MATLAB的简单应用，为后续的学习打下基础。

2.2 MATLAB/SIMULINK教学模式优化

“控制工程基础”这门课学时相对较少，所以为了能让学生更好的掌握知识点，可以在课堂上更多的运用MATLAB教学。可以从如下几部分将MATLAB与课堂教学相融合：

2.2.1  数学模型的MATLAB描述

对简单系统建模，可以直接用传递函数分子/分母多项式模型，状态空间模型和零极点增益模型。但实际中常会遇到由几个简单系统组合成一个的复杂系统的情况。如并联连接的方式：

例如：某系统数学模型的建立，其两个子系统为

G1=;H1=

将这两个系统按并联方式连接，

F=parallel（G，H），MATLAB运行结果如图1所示：

2.2.2  控制系统的稳定性分析

在理论教学时，通常需要分析系统的稳定性，如果只是通过黑板来绘制图形的话，一方面绘制起来比较费力和内容不太详细，另一方面绘制的图形会存在较大误差。所以，在分析稳定性时我们可以采用SIMULINK来完成教学，让学生可以更清楚的了解它的变化情况。已知开环传递函数为：

Gk（s）=

上式K为增益，T为系统中的一个惯性环节的时间常数。这里取K=15，T=0.1，可以在SIMULINK里根据传递函数来添加所需功能模块，设置每个模块的参数，连接各模块以建立系统。系统如图2所示：

示波器显示的图形如图3所示：

从曲线图可以看出，左上图K=15，T=0.1，系统是稳定的，右上图K=25，T=0.1，系统是不稳定的，左下图K=10，T=0.05，系统是稳定的，右下图K=10，T=0.15，系统是稳定的。

此外，我们也可以运用时域和频域来判断系统的稳定性。以上面开环传递函数为例，根据传递函数绘制Nyquist图和Bode图， Nyquist图和Bode图图形如图4所示;

图4的曲线1和曲线2是取T=0.1，k分别取k=25和k=15的Nyquist图;图4的曲线3和曲线4是取当k=10，T分别取T=0.05和T=0.15的Bode图;从曲线1知，曲线上下两部分都包围了红色标记点（-1，j0），所以系统是不稳定的;从曲线2知，曲线上下两部分都没有包围红色标记点（-1，j0），所以系统是稳定的。从曲线3和曲线4知，曲线3是稳定的，曲线4是稳定的。

除稳定性分析外，MATLAB还可以运用在根轨迹分析、线性离散系统分析、高阶系统分析等方面。

2.3 MATLAB图形界面的引入

从上述叙述中，我们可以发现MATLAB在解决复杂数学公式时非常方便，SIMULINK也可以用仿真的形式把传递函数以图形的模式呈现给学生，但是还是存在操作不够灵活的一面。基于此，我们考虑引用MATLAB的图形用户界面，老师在教学过程中能更加的清晰明了阐述一些晦涩难懂的理论知识同时，又能让学生更直观的了解其原理。图5是一个简单的图形界面，其可以描述出Nyquist图、Bode图、阶跃响应、脉冲响应的图形。

3结语

本文以机械电子专业“控制工程基础”课程教学改革为例，采用课堂教学模式和实践教学相结合的方式。学生可以花更多的时间去学习系统的原理、系统的结构、具体的分析方法等。一些复杂的数学公式可以利用MATLAB来计算，再通过仿真和MATLAB图形界面来深入分析，让学生对理论的应用有更深的认识，在解决了枯燥的教学氛围的前提下，又提高了学生的学习兴趣和学习积极性。

参考文献

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