基于Matlab的自动控制原理实验教学探索

2020年第19卷第16期
基于Matlab的自动控制原理实验教学探索
□薛鹏郭会平程辉
【内容摘要】针对自动控制原理课程内容抽象学习困难的问题，在课堂教学的基础上，设立基于Matlab仿真软件的集中实践环节，探索提高本科生教学质量的新途径。

以自动控制原理课程大纲为框架，借助Matlab的强大仿真功能设置了基
础验证型，设计提高型和综合创新型三个层次的实验教学环节。

通过仿真实验弥补封闭试验台可操作性不强的劣
势，加深学生对专业知识的理解和掌握程度，提高了教师的教学科研能力。

实践经验表明，基于Matlab仿真软件
进行自动控制原理的课程教学改革可获得学生教师共同进步的良好效果。

【关键词】教学改革；自动控制原理；Matlab仿真；集中实践
【基金项目】本文为2018年度河南省教育厅优秀基层教学组织建设项目（编号：2018JXZZ01）研究成果。

【作者简介】薛鹏（1978 ），男，河南郑州人，河南工程学院电气信息工程学院副教授，博士；研究方向：最优化控制技术、智能控制郭会平，程辉；河南工程学院电气信息工程学院
一、引言
自动控制原理是研究自动控制共同规律的技术学科，是一门专业技术类的基础必修课程。

课程以系统分析和综合为中心问题，向学生讲授闭环控制系统的基本概念及基本的系统分析和校正方法，使其能够运用自动控制理论知识来分析和设计自动控制系统［1］，为后续课程及进一步学习专业类课程打好基础。

由于自动控制原理所讲授的课程内容抽象，理论性较强，导致学生普遍感觉学习困难。

目前的改革思路以弱化证明推导突出工程应用的方式进行课堂教学较为常见。

然而，这与有限的课时设置相矛盾，达不到预定教学效果。

从学习自动控制原理的方式来看，为优化教学效果，实践性学习方式越来越受到重视。

实践性教学模式已经成为自动控制原理课程教学的必不可少的组成部分。

许多高校甚至开始把自动控制原理课程实验部分分离出来，形成独立的教学环节。

在新一轮的教学改革中，河南工程学院（下称：我院）电气工程及其自动化专业的自动控制原理课程实验部分调整为独立的课程设计环节，进行集中实践练习，形成新的教学模式：理论教学+集中实践。

目前，学院自动控制原理的课堂实验采用模拟电路的实验箱完成，这种模式中一定程度上加深了学生对所学理论的理解，但也存在一定问题［2 3］：一是学生对实际系统缺乏直观认识，被动连接电路，无法有效调整参数；二是实验内容程式化，形式单一，设备高度集成，扩展性差，无法开展设计性试验。

固然，采用物理实物装置进行实验的优势是真实直观。

考虑到自动控制原理实验的目的是让学生更好更快地掌握基本控制原理和分析技术，同时课程分析对象以线性系统为主，采用Matlab软件进行仿真设计分析可以提高课程教学效果，改善本科教学质量。

Matlab集数学计算、图形处理和系统仿真于一体，已经成为电气工程技术人员必须掌握的一门重要工具。

其强大的系统仿真功能为科研人员和工程技术人员解决实际问题，提供了一种辅助分析与研究手段［4］。

基于这种趋势，我院在自动控制原理的集中实践环节设置了基于Matlab的仿真实验内容。

引入仿真分析可以将抽象的分析具体化，有效加深学生对课程理论内容的理解和掌握程度，提高了实际动手能力，又激发学生的学习积极性。

周的地质实习，应该让学生大量接触各种地质概况，培养能快速地初步判断地质情况，提出合理的初步设计的能力。

宜昌范围的著名的水利水电工程较多，同时地质灾害、地质构造和地质遗址等场所较多，涉及到不同的县市。

在后续研究过程应该深度挖掘地域特色，并有效地串联起来，形成实践教学库，提高学生参与实践的热情，激发自主学习的兴趣，全面提升学生综合素质，使学生在学习阶段积累大量的实践经验，从而毕业后能够快速有效的参与工作，培养出更多的符合社会所需的应用型人才。

【参考文献】
［1］童金南．地质学专业野外实践教学的认识和建议［J］．中国地质教育，2017，4［2］田毅，陈建平，郑彦威，等．周口店野外地质三维信息平台建设与实践［J］．中国地质教育，2017，4
［3］张良侠，周德成．综合运用多种教学方法提高地质地貌学教学效果［J］．科技资讯，2017，30
［4］程先富，吴立，孙鹏，胡春生．高师地理专业地质学野外实践能力与培养路径［J］．高教学刊，2017，14
［5］陈鹏宇．地理科学专业地质学基础课程教学方法探索［J］．高师理科学刊，2017，3
［6］陈骏，胡文瑄，李成．地质学实践教学现状分析与对策［J］．中国地质教育，2007，1
［7］周鼎武，赖绍聪，张成立，等．地质学实践教学新体系［J］．中国地质教育，2006，4
2020年第19卷第16期
二、内容设置的可行性分析
（一）控制原理基础设计。

在集中实践环节中，我院基于
Matlab仿真软件，按照自动控制原理的课程大纲，设置了集
中实践教学的主要内容。

经典分析方法包括：时域法、复域
法和频域法。

在Matlab软件中对线性系统进行时域分析，可
以用拉普拉斯变化法、函数命令法或者基于Simulink建模方
法进行。

其中，后两种方法比较容易入手。

以开环系统零极
点增益传递函数的增益为变量，在复平面上得到其单位闭环
系统的极点的变化轨迹，即根轨迹。

通过分析根轨迹的变化
趋势来确定系统的性能和参数，达到定性分析和设计系统的
目的。

Matlab提供了简单有效的根轨迹绘图命令。

频域法
以正弦信号为输入，研究系统的稳态和动态频率响应特性。

这种方法物理概念明确，作图与运算方便，可简化系统的性
能分析与参数设计。

在自动控制原理授课中以Bode图和
Nyquist曲线进行分析。

（二）专业内容系统设计。

熟悉Matlab的软件环境，了解
软件的基本操作和功能的同时，完成自动控制原理基础系统
分析方法（时域分析、复域分析、频域分析）的训练。

这个周
期不需要很长，可以在8个课时内完成。

然后进行的系统设
计与校正的综合型实验内容则需要和专业课程相结合，以
Matlab作为辅助工具完成专业试验的设计与分析。

以永磁
同步电机控制系统仿真为例，基于Matlab/Simulink的脉宽调
制仿真，就可以在示波器端观测电动机的电流、转速、转矩等
主要特征参数，也可以在仿真图中任何一条接线上放置示波
器进行数据观测，非常方便。

Matlab强大的仿真功能不仅可以用简单的命令语句完
成自动控制原理课程中的基础验证实验，而且可以进行设计
研究性实验的尝试。

尤其是它的Simulink模块仿真环境更
直观有效，不仅有基于框图的系统仿真（可对应于系统结构
图模型），而且提供了元器件级别的物理模块仿真工具箱。

这可以使学生在学习时直接了解系统内部的构成和详细的
运行过程，加深学生对专业知识的理解程度和应用能力。

三、集中实践的方案设置
（一）教学内容及学时分配。

为了改进自动控制原理课
程的教学效果，我院配合课堂理论教学设置了为期2周的自
动控制原理课程设计的集中实验。

以经典控制理论的结构
体系为基础框架，采用Matlab软件仿真的形式进行线性系统
的建模、时域/频域分析。

由于大部分学生对软件的使用并
不熟悉，在教学内容中，设置Matlab基础训练部分和专业知
识应用两大部分。

详细的教学内容和学时安排如表1所示。

表1教学内容及学时分配表
模块教学内容
学时分配（天）
讲课上机讨论考核其他
MATLAB基础软件基础1 2.510.5
分析与设计课程设计220.50.5表1中的教学内容部分是指在课程设计过程中主要讲解或练习的软件和专业知识。

具体地：
软件基础主要训练：熟悉Matlab的工作界面和基本操作；掌握基于M文件的编程基础；掌握基于Simulink的仿真基础；掌握数据的运算及整理方法；掌握基础绘图的可视化数据处理。

课程设计主要安排：线性系统模型的生成与转换；线性系统的时域分析；线性系统的根轨迹分析；线性系统的频域特性分析；系统综合分析与校正设计；电气工程实例综合设计。

在课程设计过程中进行两次考核：第一周结束时主要考核学生对Matlab基础的掌握情况，为后续专业内容的仿真实验打好基础；第二周结束时主要考核学生借助Matlab软件进行系统分析和设计的能力，考核学生对自动控制基础技术的理解应用的熟练程度。

（二）对学生能力培养的体现。

自动控制原理课程设计环节的预定目标在于强化学生对控制理论的理解，提高其系统分析与应用技术熟练程度。

课程改革的效果直观体现在对学生能力的培养上。

这一点我们从三个方面进行反馈验证：一是课程设计报告。

能体现学生对自动控制原理知识（包括仿真技术）的掌握程度；二是毕业设计环节。

能够反映学生利用控制方法分析和设计系统的能力；三是学科技术竞赛。

借助电子设计大赛等专业技术类学科竞赛考察学生对系统控制技术的灵活应用能力。

表2给出了我院2019年关于自动控制原理改革成果的部分体现。

其中，毕业设计环节仅统计电气工程及其自动化专业的毕业生选题的完成情况，学科竞赛中对控制类题目的参与情况进行了统计。

表22019年课程改革教学成果
项目参与人数完成情况获奖情况
设计报告152152
毕业设计7575
院级优秀3人，
校级优秀2人。

学科竞赛45人/15组45人/15组
国家级级一等奖2项，
二等奖3项，
省级一等奖5项从表2中给出的部分课程改革成果可以看出，自动控制原理的课程改革初步达到预定目标，而学生整体技术水平和专业素养的提高需要全面培养，多方面共同推进。

四、结语
将自动控制原理的教学过程分为课堂教学和集中实践两个环节，并在集中的课程设计独立环节采用Matlab仿真软件设置实践。

与理论教学内容相配合，设置数学建模、系统分析和综合设计三个方面的内容。

近年的教学实践也表明，这种教学安排吸引了学生的学习积极性，改善了教学效果，提高了课程教学质量。

同时提升了教学人员的科研辅助技能。

基于Matlab的自动控制原理教学改革，有望实现学生学习和教师成长的双赢效果。

【参考文献】
［1］王万良．自动控制原理课程教学中的几个关键问题［J］．中国大学教学，2011，8：48 51
［2］苗宇，蒋大明，刘泽．“自动控制原理”混合式教学实践［J］．电气电子教学学报，2020，42（1）：82 86，90
［3］赵婧，魏彬，陈明淑，万少松，尚安利．“自动控制原理”教学方式考试形式与实验的改革［J］．教育教学论坛，2020，8：230 231
［4］李维波．Matlab在电气工程中的应用实例［M］．北京：中国电力出版社，2012。