MATLAB在“自动控制原理”实验教学中的应用探析

朱婕 韩芳

摘 要：自动控制原理是十分重要的课程之一，其实验教学开展的教学效果将直接影响到自动控制原理课程的教学效果与教学目标的实验。传统自动控制原理实验箱无法拓展，受环境限制影响较大，难以指导学生深入了解参数变化与系统性能之间的关系等缺陷提出了在自动控制原理实验教学中运用MATLAB，以弥补传统实验箱开展实验教学的缺陷，同时激发学生参与自动控制原理实验的兴趣，全面提高学生综合实践能力与独立探索思維。

关键词：MATLAB；自动控制原理；实验教学

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.10.183

自动控制原理课程是电气工程及其自动化控制专业的重要基础课程，直接影响到学生是否能够真正掌握电气工程自动化控制的核心。在自动控制原理课程中实验教学是十分关键的，其能够将自动控制原理课程中晦涩、抽象的理论用于指导实践，让学生在形象、直观的实验过程中学会理论联系实际，从而获得更强的实践能力。MATLAB是一种常用的软件，在自动控制原理实验教学中运用MATLAB可以进一步提升自动控制原理实验教学的实效性。

1 “自动控制原理”实验教学

教育不仅仅是概念性的，同时也是经验性的、操作性的。学生在学习过程中往往都需要通过直接的操作经验、具体事例以及实际应用才能够提升学习质量。自动控制原理是一门电气工程与自动化专业中的基层课程，在电气及其自动化专业中占据着十分重要的地位。自动控制原理课程的主要教学内容涵盖了控制系统的数学模型、非线性系统分析、频率法等。自动控制原理课程概念抽象、计算复杂、涉及数学计算难度大，学生在学习过程中总是难以完全理解[1]。在自动控制原理课程教学中实验教学是不可或缺的重要教学环节，是自动控制原理理论与实践的桥梁。在自动控制原理教学中重视实验教学不仅仅可以使得学生对自动控制原理中的理论有更加深入的理解与把握，同时还可以将理论与实践紧密的联系起来，有效提升自动控制原理课程的教学质量，同时使得学生对自动控制原理课程更有兴趣。传统的自动控制原理实验教学所采用的都是电子模拟实验箱装置。实验箱面板上连接了相应环节所构成的控制设备，教师与学生可以在示波器中观察系统的响应并且计算不同的性能指标。这种传统的实验教学法可以提高学生的动手能力，让学生对自动控制原理课堂中的内容鞥更加了解，但是实验教学效果却不慎理解，学生仅仅按照实验模拟电路图进行接线难以激发学生的学习积极性与主动性。

2 MATLAB在"自动控制原理"实验教学中的应用

2.1 MATLAB软件

MATLAB是一种常见的商业数学软件，主要用于算法开发、数据分析、数值计算等高级技术计算语言与交互式环境当中，其可以进行函数绘制、连接其他编程语言程序，可以被广泛运用在工程计算、控制设计、信号检测等领域，当然也可以被用于教育领域，作为自动控制原理的实验教学工具。在自动控制原理实验教学中利用MATLAB软件进行仿真实验，则可以获得与理论相对应的响应结果。教师还可以将获得的结果与传统实验箱操作的结果进行对比，让学生发现在实验过程中的问题，同时锻炼学生的思考、探索能力[2]。

2.2 MATLAB在自动控制原理实验教学中的应用

MATLAB中的Simulink是其中的附加组件，主要用于提供系统级别的建模与动态仿真工作平台。通过模块组合的方式让用户能够在短时间准确的构建动态系统。用户只需要在模型窗口上调节出不同系统的环节，并且使用连线将其连接起来，就可以快读的进行系统仿真分析。Simulink的模型展现方式与自动控制中的方框图表现方式十分接近，能够进一步简化编程的流畅，更加形象、灵活、直观。在自动控制原理实验教学中教师可以先组织学生使用MATLAB中的Simulink进行实验房展，然后再使用电子模式实验箱进行模拟，然后将两者的结果进行对比，以便让学生在深入对比的过程中进行更加系统的分析。

在自动控制工程中二阶系统的运用十分普遍，很多高阶系统在一定环境下都可以近似为二阶系统进行分析。因此，对二阶系统进行分析对于自动控制原理十分重要[3]。

实验观察二阶系统在参数ωn与ξ不同取值的情况下单位阶跃响应曲线，同时分析参数ωn与ξ对系统性能的影响。

当输入不同时对其单位阶跃响应进行比较与房展。当ωn=1的时候，取ξ=0，0.2，0.5，0.7；然后使得ξ=0.7，ωn=2，4，6，8，10的情况下观察系统单位阶跃响应曲线。

3 结束语

将MATLAB运用到自动控制原理实验教学中可以使得学生更加直观、更加形象的掌握自动控制的原理与性能，充分明确自动控制实验过程中参数的变化，形象的分析出参数的改变对自动化控制性能的影响。不仅仅有力的激发了学生的创造能力与学习积极性，同时还使得学生拥有一定的分析力、设计力与自动调控系统的能力，全面提升了自动化控制原理实验教学的效率，获得了理想的实验教学效果。同时，MATLAB在自动控制原理实验教学中的运用还是得实验教学更加灵活，突破了传统自动化控制原理实验教学对场地、设备的限制，从而进行更多内容与更多形式的实验。

参考文献：

[1]刘云龙，王瑞兰，刘丽君，王文成.基于Matlab仿真的自动控制原理实验教学改革[J].实验室研究与探索，2015，34（06）：102-106.

[2]龚锦红.MATLAB在《自动控制原理》教学与实验中的应用[J]华东交通大学学报 ，2006，23（b12）：137-139.

[3]王宪磊.MATLAB在机械类专业《自动控制原理》课程教学中的应用[J].甘肃科技，2016，32（06）：39-41.

作者简介：朱婕（1981-），女，安徽淮南人，硕士，实验师，研究方向：电子、自动化。