MATLAB 在自动控制原理课程学习中的应用

刘瑶

（东北农业大学成栋学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

1 自动控制原理课程特点

《自动控制原理》是高校自动化专业的重要专业基础课，也是其它电类专业一门重要的专业基础课程，在教学上占有重要的地位，其理论性强，既难教，也难学。该课程的研究对象为实际的自动控制系统，探讨的是控制过程的性能及其规律性，具有数学含量大、计算繁杂、作图方法多、实际应用广泛等特点[1]，而独立院校的学生数学基础差，导致学生接受能力差，学习较为吃力。因此，我们将MATLAB 应用到该课程教学中，对提高学生对各种控制系统、各种控制理论方法的理解和分析能力有很大的促进作用，并能培养他们的工程实践能力和创新能力，进一步提高教学质量。

2 MATLAB 的特点

MATLAB 语言是目前国际控制界最流行的语言，它集数值计算、符号运算和图形处理等强大功能于一体，适用于工程应用各领城的分析、设计和复杂计算[2]，强大的功能使它成为系统分析和仿真设计的首选语言。我们可以调用MATIAB 提供的函数和其附带的模块工具来为我们分析和计算，不但可以准确地画出图形，计算出相应的性能指标，对《自动控制原理》的教学有很大的帮助，提高学生学习兴趣的同时能尽力将“难学”变成“易学”，实现既加强教学深度，又提高教学质量的目的。另外，学生在学习自动控制理论的同时学会使用MATLAB 语言，不仅对掌握和应用自动控制理论有帮助，还可以学会使用计算机辅助分析和设计控制系统等，为日后的工作和学习打下基础。

3 MATLB 在自动控制原理学习中的应用实例

在《自动控制原理》课程中引入MATLAB语言，根据课程理论知识，引入的内容主要包括建模组成控制系统、对控制系统进行分析（时域法、根轨迹法和频域法）和控制系统综合校正及设计三部分。建模部分主要是借助MATLAB 编程，在计算机上实现对各类模型的输入和形式转换；分析部分主要利用MATLAB 的绘图功能，观察各种响应曲线、根轨迹、频率特性以及参数变化对控制系统稳定性和动态性能的影响等；综合设计部分主要是将前两部分有机联系在一起，综合学生已掌握的知识，培养利用专业软件对知识综合应用的能力。

《MATLAB 及其应用技术》在本学院作为一门选修课程是与《自动控制原理》在同一学期开出的。学生对MATALB 软件的使用有一个初步的了解，我们在每讲授完一部分《自动控制原理》相应理论知识后，抽出一定课时引入MATLAB 的内容，这样容易使学生明白学习的目的，教学中主要介绍MATLAB 的关键语句、简短的仿真程序及利用其辅助相关理论知识学习的方法，让学生课余时间应用这些语句和程序上机练习，完成课程中数学模型的建立和响应曲线、根轨迹图及频率特性曲线等的绘制。两门课程的内容互相印证，使学生能够更加深入系统地了解和掌握软件的应用方法，培养学生拓展知识，进一步提高和激发学生自觉学习的能力和学习兴趣。下面给出两个具体实例。

3.1 根轨迹分析应用举例

用MATLAB 绘制此系统根轨迹的程序如下：

只需三条命令就可以作出该系统的精确根轨迹示意图如图1 所示。

3.2 伯德图分析应用举例

MATLAB 的控制系统工具箱中提供了bode（）函数来求取、绘制给定线性系统的伯德图。

手工绘制的伯德图在转折频率处是用渐近线代替精确曲线的，这样比较简单，但应用MATLABA 绘制的伯德图在转折频率处经过修正，曲线更加平滑，准确，学生可以把两种绘制方法的曲线加以比较，体会其中的含义。

4 结语

MATLAB 的引入使《自动控制原理》的教学有了根本性变化，由原来枯燥的纯原理性教学变为形象生动的与实际工程控制案例紧密结合的教学。使用MATLAB 软件辅助教学，仅用几条语句，就能够使一些原本要经过繁琐的数学推导过程才能见到的效果，变得简单、明了，使学生对知识的学习形象具体化，充分调动了学生的学习兴趣。但一定要注意引入的技巧，即适当运用，切不可过多而混淆了主次，干扰课堂教学的主要目的，应让学生在掌握了相应控制原理后，针对性地运用MATLAB 软件，加深对所学知识的理解，掌握运用MATLAB 进行系统分析和设计的方法。

[1]胡寿松.自动控制原理简明教程（第五版）[M].北京：科学出版社，2007年5 页～12 页

[2]曹弋.MATLAB 教程及实训[M].北京：机械工业出版社,2008年 1 页～5 页

[3]孟庆明.自动控制原理[M].北京：高等教育出版社，2008年 168 页～169 页.