MATLAB 在自動控制原理課程學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

劉瑤

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)成棟學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 自動控制原理課程特點

《自動控制原理》是高校自動化專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，也是其它電類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在教學(xué)上占有重要的地位，其理論性強，既難教，也難學(xué)。該課程的研究對象為實際的自動控制系統(tǒng)，探討的是控制過程的性能及其規(guī)律性，具有數(shù)學(xué)含量大、計算繁雜、作圖方法多、實際應(yīng)用廣泛等特點[1]，而獨立院校的學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)差，導(dǎo)致學(xué)生接受能力差，學(xué)習(xí)較為吃力。因此，我們將MATLAB 應(yīng)用到該課程教學(xué)中，對提高學(xué)生對各種控制系統(tǒng)、各種控制理論方法的理解和分析能力有很大的促進作用，并能培養(yǎng)他們的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，進一步提高教學(xué)質(zhì)量。

2 MATLAB 的特點

MATLAB 語言是目前國際控制界最流行的語言，它集數(shù)值計算、符號運算和圖形處理等強大功能于一體，適用于工程應(yīng)用各領(lǐng)城的分析、設(shè)計和復(fù)雜計算[2]，強大的功能使它成為系統(tǒng)分析和仿真設(shè)計的首選語言。我們可以調(diào)用MATIAB 提供的函數(shù)和其附帶的模塊工具來為我們分析和計算，不但可以準(zhǔn)確地畫出圖形，計算出相應(yīng)的性能指標(biāo)，對《自動控制原理》的教學(xué)有很大的幫助，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時能盡力將“難學(xué)”變成“易學(xué)”，實現(xiàn)既加強教學(xué)深度，又提高教學(xué)質(zhì)量的目的。另外，學(xué)生在學(xué)習(xí)自動控制理論的同時學(xué)會使用MATLAB 語言，不僅對掌握和應(yīng)用自動控制理論有幫助，還可以學(xué)會使用計算機輔助分析和設(shè)計控制系統(tǒng)等，為日后的工作和學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

3 MATLB 在自動控制原理學(xué)習(xí)中的應(yīng)用實例

在《自動控制原理》課程中引入MATLAB語言，根據(jù)課程理論知識，引入的內(nèi)容主要包括建模組成控制系統(tǒng)、對控制系統(tǒng)進行分析（時域法、根軌跡法和頻域法）和控制系統(tǒng)綜合校正及設(shè)計三部分。建模部分主要是借助MATLAB 編程，在計算機上實現(xiàn)對各類模型的輸入和形式轉(zhuǎn)換；分析部分主要利用MATLAB 的繪圖功能，觀察各種響應(yīng)曲線、根軌跡、頻率特性以及參數(shù)變化對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)性能的影響等；綜合設(shè)計部分主要是將前兩部分有機聯(lián)系在一起，綜合學(xué)生已掌握的知識，培養(yǎng)利用專業(yè)軟件對知識綜合應(yīng)用的能力。

《MATLAB 及其應(yīng)用技術(shù)》在本學(xué)院作為一門選修課程是與《自動控制原理》在同一學(xué)期開出的。學(xué)生對MATALB 軟件的使用有一個初步的了解，我們在每講授完一部分《自動控制原理》相應(yīng)理論知識后，抽出一定課時引入MATLAB 的內(nèi)容，這樣容易使學(xué)生明白學(xué)習(xí)的目的，教學(xué)中主要介紹MATLAB 的關(guān)鍵語句、簡短的仿真程序及利用其輔助相關(guān)理論知識學(xué)習(xí)的方法，讓學(xué)生課余時間應(yīng)用這些語句和程序上機練習(xí)，完成課程中數(shù)學(xué)模型的建立和響應(yīng)曲線、根軌跡圖及頻率特性曲線等的繪制。兩門課程的內(nèi)容互相印證，使學(xué)生能夠更加深入系統(tǒng)地了解和掌握軟件的應(yīng)用方法，培養(yǎng)學(xué)生拓展知識，進一步提高和激發(fā)學(xué)生自覺學(xué)習(xí)的能力和學(xué)習(xí)興趣。下面給出兩個具體實例。

3.1 根軌跡分析應(yīng)用舉例

用MATLAB 繪制此系統(tǒng)根軌跡的程序如下：

只需三條命令就可以作出該系統(tǒng)的精確根軌跡示意圖如圖1 所示。

3.2 伯德圖分析應(yīng)用舉例

MATLAB 的控制系統(tǒng)工具箱中提供了bode（）函數(shù)來求取、繪制給定線性系統(tǒng)的伯德圖。

手工繪制的伯德圖在轉(zhuǎn)折頻率處是用漸近線代替精確曲線的，這樣比較簡單，但應(yīng)用MATLABA 繪制的伯德圖在轉(zhuǎn)折頻率處經(jīng)過修正，曲線更加平滑，準(zhǔn)確，學(xué)生可以把兩種繪制方法的曲線加以比較，體會其中的含義。

4 結(jié)語

MATLAB 的引入使《自動控制原理》的教學(xué)有了根本性變化，由原來枯燥的純原理性教學(xué)變?yōu)樾蜗笊鷦拥呐c實際工程控制案例緊密結(jié)合的教學(xué)。使用MATLAB 軟件輔助教學(xué)，僅用幾條語句，就能夠使一些原本要經(jīng)過繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程才能見到的效果，變得簡單、明了，使學(xué)生對知識的學(xué)習(xí)形象具體化，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但一定要注意引入的技巧，即適當(dāng)運用，切不可過多而混淆了主次，干擾課堂教學(xué)的主要目的，應(yīng)讓學(xué)生在掌握了相應(yīng)控制原理后，針對性地運用MATLAB 軟件，加深對所學(xué)知識的理解，掌握運用MATLAB 進行系統(tǒng)分析和設(shè)計的方法。

[1]胡壽松.自動控制原理簡明教程（第五版）[M].北京：科學(xué)出版社，2007年5 頁～12 頁

[2]曹弋.MATLAB 教程及實訓(xùn)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2008年 1 頁～5 頁

[3]孟慶明.自動控制原理[M].北京：高等教育出版社，2008年 168 頁～169 頁.