自动控制原理范文
时间：2023-03-30 03:37:06
导语：如何才能写好一篇自动控制原理，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
一、基本要求
掌握控制系统分析和综合基本方法，
主要内容有传递函数和信号流图等数学模型的建立；
系
统稳定性、
动态性能、
稳态性能的时域分析；
频域法和根轨迹法；
系统串联校正的设计方法；
线性离散系统的分析；
系统状态空间建模及其求解；
系统可控性和可观测性；
线性定常系统
状态反馈及观测器设计；李雅普诺夫稳定性理论。
二、考试范围
．
自动控制的一般概念
（）自动控制系统的定义、构成；
（）自动控制系统的基本控制方式；自动控制系统的分类；
（）对控制系统的基本要求；
．
控制系统的数学模型
（）传递函数的定义、性质及典型环节的传递函数；
（）信号流图的组成、建立及梅森增益公式；
（）闭环系统的传递函数：输入量及扰动量作用下的传递函数、误差传递函数。
．线性系统的时域分析法
（）一阶系统动态性能；
（）二阶系统的动态性能：典型二阶系统的数学模型、欠阻尼阶跃响应、二阶系统的动态性能指标、二阶系统性能的改善；
（）控制系统的稳定性分析及代数稳定判据；
（）控制系统的稳态性能分析：
稳态误差的定义、
系统类型、
稳态误差分析与静态误差系数。．
线性系统的根轨迹法
（）根轨迹方程：幅值条件和相角条件；
（）度根轨迹作图的一般规则、典型的零、极点分布及其相应的根轨迹；
（）系统性能分析：稳定性分析、增加零、极点对根轨迹的影响、利用主导极点估计系统的性能指标；
．
线性系统的频域分析法
（）频率特性；
（）典型环节与开环系统的频率特性；
（）奈奎斯特稳定判据及应用；
（）稳定裕度；
．
线性系统的校正法
（）校正装置：超前、滞后网络的特性；
（）系统校正的频率响应法：超前、滞后校正设计；
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（）控制器：控制法则及对系统性能的影响。
.
线性离散系统的分析
()
信号采样和保持；
()
离散系统数学模型：差分方程和脉冲传递函数；
()
离散系统稳定性及稳定性判据；
()
离散系统稳态误差及动态性能分析；
.
线性系统的状态空间分析与综合
()
线性系统的状态空间描述：建立、转换、标准型；线性系统的运动分析状态方程的解；
()
线性系统的可控性和可观测性；
()
线性定常系统的线性变换；
()
线性定常系统的状态反馈极点配置和全维状态观测器设计；
()
李雅普诺夫稳定性分析。
2
篇2
关键词：自动控制原理；独立学院；范例教学；结构主义教学
作者简介：周战馨（1970-），女，吉林省吉林市人，常州大学信息学院，副教授；张继（1981-），男，江苏常州人，常州大学信息学院，讲师。（江苏 常州 213016）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）19-0113-02
在多年的教学实践中，我们发现独立学院电气自动化专业的学生来源复杂，学习能力参差不齐，学习目标各种各样，这些都给“自动控制原理”教学带来很大困难。同时，进入21世纪以来，科学技术在不断加速中发展，尤其在电子、电气和材料等领域，新材料和新技术层出不穷。但是目前高等院校开设的“自动控制原理”作为一门专业基础理论课，内容比较抽象，更多强调培养学生动手解算能力，与实际应用有些脱节。
为了达到独立学院培养目标，通过系统分析实际教学情况，查阅并参考近现代教学理论[1]和各个学校开展的教学改革，[2，3]在实际教学实践中进行了有益探讨。
一、问题分析
第一，独立学院电气自动化专业生源复杂，学习能力偏差和学习目标不明确。由于笔者所在常州大学地处江苏省，经济发展在国内处于前列，尤其在电子、电气和能源新材料等方面。地方经济逐步转向科技型，对应用人才需求旺盛。因此从政府、企业到普通群众无不认识到掌握技术、具有技能的重要性。随着国家对高等教育改革的进一步推进，给更多的青年人带来机会，面对高就业率，电气自动化专业得到了更广泛的关注。这样就形成了学生中既有理科背景的，还有少部分文科背景的；既有高考偶然因素失利的，也有勉强达到录取分数线的；既有喜爱电气自动化专业的，更有不少是为了就业和父母期望而来的。在教学中明确体现了不同生源学生的学习能力差别。前两年的大学学习过程，只能基本上帮助大部分人适应大学教学节奏，在学习方法和学习效率方面基本没有改进。反而不断增加了他们的学业压力，引发一部分人消极情绪，对自身的改进没有了信心。第三年进入专业课学习，少部分对知识掌握好的学生，由于外界不断对他们的肯定，学习积极性得到提高，主动与老师互动；大部分学生对专业知识刚接触，对于抽象的理论知识不知道有何用处，对自身能力的潜力认识不够，满足于考试通过，拿到学分。
第二，独立学院培养目标不断变化，受母体高校影响大。自独立学院开设之初，其培养目标随着社会经济技术的发展和人们对其在高等教育中作用认识的加深，在不断发展变化。从最初的对主流学校的有益补充，发展到主要培养技能型和技术型人才；在师资和教学设施建设上，基本都是参照所母体学校进行。为了保证教学质量和教学进度，很多师资都是从母体学校借调。所以保证了对人才的培养质量，满足了学生和家长对学校的期望，却加重了任课教师的教学强度。任课教师要面向不同基础，不同理解能力和学习能力的学生。
第三，由于我国近些年经济持续高速发展，对技术人才需求随之增长。更多的企业为了自身的可持续发展，引进先进技术设备；越来越多的技术型小企业获得发展空间；社会上不断涌现新专业方向、新技术应用领域。高中毕业生不能够通过短时培训胜任岗位；普通高等学校的毕业生缺少实际动手能力，对工作岗位待遇期望值高。独立学院通过十年多的不断完善，已逐步注重市场调研，充分结合母体学校的专业特长，加强学生的应用能力的培训，但是目前仍不能满足社会需求。
二、实践探讨
面对以上实际情况，从掌握基本知识和应用角度出发，在以下三方面做了教学改进。
1.实施“缺漏”教学，让学生掌握最基本的概念和原理
心理学家M·瓦根金提出的范例教学非常适用于独立学院“自动控制原理”的教学。他强调让学生掌握课程中最基础、最本质的因素。因此根据电气自动化学生的学习背景，我们精选出最典型、最有代表性的概念和原理作为授课重点，并增加相应的授课学时。对于负反馈系统的理解，增加实际系统分析，对同一个电机速度控制系统在不同情况下作用进行分析。首先进行定性分析，然后再进行定量分析；对于控制系统稳定性，打破章节限制，集中讲解其重要性和分析手段；对于控制系统设计部分，侧重于讲解思路，只把PID控制器作为重要知识点。
实践证明，学生认为学习节奏比较适中，对概念的理解比较清晰，减少了为了达到教学进度使得部分学生跟不上的现象；教师对设计部分内容降低要求，比较符合独立学院电气自动化专业学生的实际学习背景，减弱了母体高校教学要求的影响。
2.应用“结构主义”教学方法
作为三大教学论之一，结构主义教学论强调心理学与教育学的紧密结合。要学习和掌握学科的基本结构；要组织螺旋式课程；要广泛使用发现方法。将原发现过程再编制，应用于教学中学生学习过程。发展学生的归纳、推理等思维能力。目的是让学生形成迁移能力，这种理论特别适用于“自动控制原理”的教学。以电机速度控制系统为重点，设置多种工作状态。首先演示控制系统工作状态，让学生通过测试设备发现问题，引导学生分析可能的原因，提供相应的理论分析方法，共同分析现象所体现的控制系统原理。因此提高了学生参与的积极性，也增强了他们自身理解问题和解决问题的自信心。由于对电机速度控制系统的分析对控制系统三个指标——稳定性、快速性和准确性完全覆盖，使学生对控制系统原理的基本结构有清晰的理解。许多学生不再和教师探讨“自动控制原理”课程对以后工作有什么作用，与自身生活有什么联系，传递函数表示什么，画根轨迹作用是什么等等。对学习能力的培养，使学生自主学习能力加强，能够缩短适应工作岗位的进程。
3.提高MATLAB和网络的使用率
MATLAB是控制系统分析设计的一个平台。[4]对于喜爱虚拟世界的年轻人而言，许多实际控制系统的理解难度比较大，但在虚拟世界，可以出错，可以随时修改，同时不受元件成本、安装要求的限制。教师在教学过程中，利用MATLAB即时演示控制系统工作现象。在入门阶段，教师充分考虑到学生英语基础低面导致独立阅读帮助文件进展慢的情况，专门安排时间引领学生掌握基本仿真命令。
由于智能手机的普遍使用，几乎本专业所有学生都能随时查询信息。通过引导学生查询与“自动控制原理”课程相关内容，使学生学会正确搜索学术信息，对信息的使用要先进行基本判断。如对于利用SIMULINK进行仿真验证，许多学生直接使用网络上提供的模型。但在仿真时经常出错。此时教师帮助学生分析出错原因，通常是在学生提出三个修改后仍不成功的情况下。由此鼓励了一部分动手能力强学生的学习兴趣。
三、总结与展望
通过采用新的教学理念，紧密结合怀德独立学院电气自动化专业“自动控制原理”实际教学情况，实施了淡化理论知识推导，注重理论知识框架的掌握；减少对计算的要求，提高对应用软件的运用能力；降低对控制系统设计的学习要求，加强典型实际系统分析能力和对基本概念的理解。
分析当前教学效果，可以得出学生的自信心得到提高，教师的教学能力得到提升，摆脱了以前学生面对理论知识学习没兴趣、没信心，教师面对学生只能放慢教节奏，全面降低教学要求，课堂很少互动的被动局面。
当然，要使“自动控制原理”课程的教学效果进一步提高，还需要对教师的应用能力进行培训，提供机会让他们走出学校到企业去，了解技术应用新动向、新需求。学生更需要走出学校，提高对本门课程在实际系统中重要性的认识。这些均是我们以后需要做的工作，希望电气自动化专业的毕业生能很好地符合社会需求，更快地适应岗位。
参考文献：
[1]巨瑛梅，刘旭东.当代国外教学理论[M].北京：教育科学出版社，2004：21-163.
[2]谢志刚，齐晓慧，王永川.自动控制原理教学中的方法论探讨[J].中国教育技术装备，2009，（12）：31-32.
[3]宫二玲，谢红卫，张纪阳.融入实践环节，提高学习兴趣——《自
篇3
关键词：自动控制原理；教学改革；知识线索；创新
作者简介：陈晓燕（1979-），女，四川自贡人，四川农业大学农业信息与工程技术学院，讲师；庞涛（1977-），男，四川射洪人，四川农业大学农业信息与工程技术学院，讲师。（四川 雅安 625014）
基金项目：本文系“四川农业大学2011年校级教学改革项目”（项目编号：X2011036）的研究成果。
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）01-0016-03
“自动控制原理”是高校自动化专业的专业基础课，是电气信息类、机械类、环境工程类等专业的学科基础课。在整个专业知识体系中占据非常重要的地位，具有承上启下的作用。通过对控制理论知识的学习，使学生掌握分析、测试和设计自动控制系统的基本方法，培养学生对控制系统的工程实践能力和创新能力，为后续如“计算机控制技术”、“过程控制系统”、“电气控制”、“先进控制系统”等专业课程提供理论基础和分析设计方法。该课程内容涉及数学、物理、电子、电机、机械等多学科领域，还与实际工程系统的控制密切相关[1]，具有内容丰富、理论性强、涉及知识面广、更新发展快等特点[2]，有一定的深度和学习难度。学生在学习过程中容易感到枯燥乏味，产生厌学情绪。教师在教授过程中也容易过分强调理论知识的数学推导，忽视工程应用。为了促进教学质量的提高，对该课程进行教学改革是十分必要的。
一、优化课程内容，把握知识线索
1.重点突出
随着专业口径的不断扩宽，各门课程的教学内容也不断膨胀和加深，自动控制原理课程也面临着内容多和课时少的矛盾，所以要精选课程内容，突出重点[3]。下面将每章中的一些重点分别加以阐述：
“控制系统基本概念”重点是自动控制系统的基本工作原理，自动控制系统的结构及特点、组成和基本环节，自动控制系统的性能指标，自动控制系统的类型。
“控制系统的数学模型”重点是动态微分方程的建立，传递函数求解，系统动态结构图变换。
“线性连续系统的时域分析”重点是自动控制系统的暂态过程分析，代数稳定判据，稳态误差求解，根轨迹的绘制，用根轨迹法分析系统的性能。
“线性连续系统的频域分析”重点是频率特性的绘制，频率特性与系统时域指标之间的关系，频域指标，Nyquist判据。
“线性系统的校正”重点是系统设计的思想，串联校正的特性及作用，校正方法。
“非线性系统分析”重点是非线性系统动态过程的特点，描述函数法，改善非线性系统性能的措施及非线性特性的利用，相平面法。
“线性离散系统”重点是离散时间函数的数学表达式及采样定理，线性常系数差分方程与脉冲传递函数，采样控制系统的时域分析，采样控制系统的频域分析与数字校正。
2.线索清晰
自动控制原理课程理论性强、内容多、涉及大量数学知识。同学们在学习过程中常常不清楚各个知识点之间的相互联系，以及各个章节之间的因果关系，总感觉“不识庐山真面目”，学习起来很费力。所以在教学过程中，教师应当理清线索。就自动控制原理本身的内在体系而言，是按照“系统建模、系统分析、系统综合”这个主线展开。系统建模是系统分析和系统综合的基础，数学模型有时域模型、复域模型和频域模型。系统分析是围绕稳定性、稳态性能和瞬态性能展开，系统综合与校正用到根轨迹法和频域法。另外以方法为线索，可以分为“时域法、根轨迹法和频域法”。如果以系统为线索，可以分为“线性系统、离散系统、非线性系统”。这几条线索相互交叉，教师在讲授知识点时应抓住这几条线索，让同学们先从宏观上知道各个知识板块章节间的因果关系，再从微观上来具体消化每个知识点，这样学习起来就更轻松。
二、结合工程实际，培养创新思维
自动控制原理课程不仅理论性强，而且工程实践性也强。在原理的讲授中要注重培养学生的工程思维习惯，不仅可以使学生更好理解理论知识，也可以培养学生的创新意思。例如在讲授反馈原理时，可以结合生活当中的空调温度控制系统工作原理进行讲解。并注意引导学生自己联系生活中的事例结合控制原理的知识进行分析，激发学生的学习兴趣。在引用工程实例的同时还应注意结合专业学科方向，针对我校是农业院校的特点，可以对温室大棚的控制系统工作原理进行介绍。另外，还应注意引用自动化领域的一些前沿技术。例如哈勃太空望远镜指向系统能在644km处将视野聚集在一枚硬币上，望远镜的偏差在一次太空任务中得到了大规模的校正。根据这个工程背景，让学生对哈勃太空望远镜指向系统建立数学模型，并按照设计要求进行系统分析。对兴趣浓厚的学生，还可启发如果在控制结构中，引入串联PI控制器，可否进一步优化系统性能。通过这些示例的讲解，使学生对自动控制原理实际应用有更深刻的认识。
三、丰富教学手段，提高教学效果
1.引入多媒体辅助教学
传统的板书式教学，教师需花费大量的时间在公式推导和曲线绘制上，课堂气氛枯燥而沉闷。随着计算机的普及，采用多媒体辅助授课方式可以在绘图的准确性和快速性方面有较大提高，从而提高教学效率，另外有助于学生对抽象知识的理解[4]。但是，任何事物都有两面性，多媒体教学也存在教学内容大，学生思维速度跟不上等弊端。因此，教师在讲授中可以以多媒体教学为主，对于一些重点难点适当的辅以板书，放慢速度。同时要注重师生之间的课堂互动，充分发挥两种教学手段的优点，提高教学效果。
2.加强MATLAB的应用
MATLAB软件功能强大，具有先进的视觉化功能，是一种完善的科学计算语言。通过MATLAB仿真教学，使学生对新知识印象深刻。特别是研究系统中某个参数或环节变化时对系统的影响，可以很直观的通过MATLAB展现出来。例如若已知某系统的开环传递函数为：，求当K分别取1300和5200时，试绘制系统的奈奎斯特图，并判断系统的稳定性。
通过用MATLAB编程，可绘制出系统的奈奎斯特图如下：
当K=1300，系统稳定，对应的阶跃响应是衰减振荡；K=5200，系统为临界稳定，其阶跃响应则表现为等幅振荡。
笔者编写了《MATLAB程序设计及其应用》教材，充分发挥MATLAB在自动控制原理教学中的应用，取得了满意的教学效果。
3.结合网络教学
网络教学是课堂教学的延伸。通过网络教学，学生可以加深对课堂教学内容的理解，扩大知识面，并提高学生分析问题、解决问题的能力。充分发挥网络资源的优势，在增加知识面、提高效率、因材施教等方面对课堂教学起到了很好地补充作用，有利于充分发挥学生的主观能动性[5]。
四、改进实验教学，强化动手能力
实验教学不仅是对理论知识的验证，更重要的是培养学生动手能力、基本科研能力和创新能力的重要环节。
1.仿真实验和物理实验相结合
传统的自动控制原理实验课程为物理实验，利用实验箱，将相应的有源网络模块连接成典型环节或系统，再施加典型信号，通过示波器观察实验结果。学生在实验中对于所调节的参数和系统性能的关系难以真正理解，并且在使用中也容易损坏元件，而且元件的非线性，也会影响实验结果[6]。利用MATLAB软件的SIMULINK仿真平台作仿真实验，能很好解决物理实验的不足，并加深对课程知识的理解，还可以将实验延伸到课外进行。
2.验证实验和设计实验相结合
传统的实验一般都是验证实验，教师给出实验目标和要求，学生根据实验步骤来进行实验，这类实验对于知识点的学习和理解是有必要的，但是按部就班的实验过程不能培养学生的创新思维。因此，在课程设计的形式上可开展一些设计性的实验。教师给出设计题目，学生进行方案的设计、选择、实施，从而培养学生的创新热情。
3.课堂实验和开放实验相结合
课堂实验的时间是有限的，应充分利用课外时间展开开放性实验。开放性实验应结合工程应用背景和教师的科研项目，以锻炼学生的科研能力。
五、结语
自动控制原理作为理论与实践并重的一门课程，教学过程中有相当难度。本文结合自动控制原理的教学实践，按照“优化课程内容、培养创新思维、丰富教学手段、强化动手能力”的思想，阐述了在教学过程中教师应注意的一些问题。总之，教学改革是一个长期的过程，要在教学中不断总结和改进，以适应时代的发展。
参考文献：
[1]谢莉萍,陈玮,章云.精品课程“自动控制原理”的教学改革与实践[J].广东工业大学学报(社会科学版),2008,(2):31-32.
[2]袁新娣,黄晓军,谢晓春.《自动控制原理》教学改革探索与实践[J].江西教育学院学报(综合),2006,(6):30-32 .
[3]李中琴,张烨.自动控制原理课程教学改革研究[J].高等教育与学术研究,2010,(1):80-82.
[4]孟令雅.自动控制理论教学漫谈[J].电气电子教学学报,2006,(1):48-50.
篇4
Abstract: Based on the outstanding problems in the examination of automatic control theory and combined with our school automation features,a curriculum for students examination reform is proposed which emphasizing the application of ability to stimulate students interest in learning,semi-open-book examination methods,the theoretical knowledge and practical application of comprehensive testing,emphasizing the process of assessment. The expected results show that students' learning effects have been significantly improved on theoretical learning courses which are consistent with application-oriented and applying the knowledge of teaching philosophy.
关键词:自动控制原理课程;考试改革;方案
Key words: automatic control theory;examination reform;program
中图分类号:G42文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)15-0177-01
1自动控制原理课程考试改革的目的和意义
自动控制原理作为自动化及相关专业的一门重要的专业基础课,是一门理论性很强的课程。同时,该门课所研究的领域也是学生从未接触过的知识。为了使得学生能够在学好理论的同时将其运用到实际中,激发兴趣,强调过程考核,并且提高考试成绩和及格率,突出教学重点,对这门课实施考试改革以配合教学改革[1]。通过考试改革可以带动教学改革进程,构建融会贯通、紧密配合、有机联系的课程体系。
2自动控制原理课程考试改革的内容
2.1 课程内容的整合与优化。为了培养学生的学习能力和实践能力,同时检查教学效果,在一些章节后组织编排综合型的题目,让学生以小论文的形式提交,将其成绩记录到期末总成绩的平时成绩中。这门课的教学内容可以分成两大部分内容的研究:前三章为控制系统的时域分析,偏重经典理论的研究;后两章为控制系统的频域分析,偏重工程实际应用。针对这样的内容特点,安排两次大作业,让学生对一个生产生活中的实例从时域分析和频域分析方法入手分析系统的稳态过程和暂态过程。针对这样的能力考核,在平时教学中,从基本概念、基本分析方法入手,结合生产和生活中的实例,以时域分析方法为主线,时域分析和频域分析并进,利用直观的物理概念,使学生充分理解系统参数与系统指标之间的内在联系,由浅入深地引导学生理解和掌握古典控制理论的精髓。把知识能力的考核放在首位。
2.2 由考试改革决定的教学方法和手段的改进措施。实践环节中改变以往由教师命题的一贯做法,在学期末,安排一次综合性实验,题目学生可自选,也可从教师提供的试题库中抽题,所选题目需具有一定的综合性,采取自愿参加考试的方式。该部分的成绩由五个等级构成,即不及格不加分,及格、中、良好、优秀会分别在在期末总成绩中加相应的分数,建立一个具体的评价指标体系。这样的考核方式可以给一部分在及格线边缘的学生一次到达及格线的机会,给一部分要提高成绩绩点的学生一次提高总成绩的机会,给一部分争取奖学金的学生一次到达优秀成绩的机会,给分布在每一个分数段的学生一次积极改进的机会,激发他们的学习热情,同时能够有效的提高及格率。
2.3 知识点的考核。笔试考试由全闭卷改为半开卷:改变原有的纯粹的理论考试,把笔试试卷分成两部分:试卷一,基本理论知识的考核,闭卷,占试卷成绩的50%;试卷二,综合能力运用的考核,开卷,可以带查阅过的相关资料占试卷成绩的50%。基本理论知识的考核包括:①基本知识模块;②数学模型的建立与求解模块;③线性连续系统的时域分析模块;④线性连续系统的频域分析与设计。
3 考试改革的进程安排
3.1 进行自动控制原理课程考试改革的调研。
3.2 制定出自动控制原理课程综合应用能力考核的评价指标体系。
3.3 编制自动控制原理课程综合性实验试题库。
3.4 在2007级自动控制原理期末考试中进行考试改革方案的试验。
3.5 进行课程考试改革方案实施的初步总结,写出课程考试改革方案实施的初步总结报告。
3.6 修改课程综合应用能力考核的评价标准。
3.7 修改自动控制原理课程综合性实验试题库。
3.8 撰写自动控制原理课程考试改革的探索的论文。
3.9 在2008级自动控制原理教学中实施课程考试改革方案。
3.10 进行自动控制原理课程考试改革方案实施的总结,写出课程考试改革方案实施的总结报告。
3.11 写出自动控制原理课程考试改革方案的结题报告。
4自动控制原理课程考试改革的预期成果
4.1 学生学习的主动性得到增强,通过设置选做实验,学生学习会更加主动,鼓励学生提高综合知识运用能力,不再像以前期末考试前几天死记硬背,造成学的好不如背的好的怪现象。
4.2 学生的创造性思维能力得到了培养,通过完成大作业网上查阅资料的能力明显提高,大量查阅资料后会超出教师布置的题目范围,大部分学生会对教师的题目给出多种分析结果,甚至会超出所学的范围,突破了思维定势,即教师告诉什么就知道什么的现象。
4.3 学生撰写科技论文的能力得到提高,为以后做毕业设计撰写毕业论文打好基础。
4.4 学生独立分析问题的能力将得到提高。通过采取半开卷的模式,学生不但需要掌握基本理论,还要学会更好的利用基本理论解决实际问题,强调提高学生的分析,设计能力,及寻求一题多解的发散性思维,强调工程应用背景,立意考查灵活运用所学知识解决实际问题和创新思维的能力,改善了以往学生认为“学了也没有用”的想法。
4.5 制定出课程考核能力与技能的评价指标体系。
4.6 撰写课程考试改革实施效果的调研报告。
4.7 撰写教改论文:自动控制原理课程考试改革的探索。
4.8 提交自动控制原理课程考试改革的结题报告。
参考文献:
篇5
关键词：自动控制原理 课程改革 MATLAB
1前言
自动控制原理是电气专业的一门主干课程。该课程一方面理论性强，在培养学生抽象思维能力和逻辑能力上起着重要的作用，但是内容多学时少、课堂信息量大，使学生对教学内容难以及时进行有效地消化，不利于学生创新能力的培养。[1]另一方面实践性综合性比较强。自动控制原理内容覆盖面比较广，要求学生有比较高的数学计算能力，电气类的工科学生不能只停留在数学层面上理解，而是解决工程实际问题能力的培养。如何在有限的学时内让学生熟练掌握控制理论的基础知识，加强创新能力和工程实践能力的培养，是课程建设过程中的关键。因此，结合教学中存在的问题，在教学内容、教学模式等方面提出了几点建议。
2理论课改革
2.1教学方法改革
对于这门难度很高的课程，教学时应注重概念，弱化计算。只有掌握了基本的概念，有了充分的感性认识，学生才有进一步自我深化的可能。而同时感性认识获得的方法莫过于实际的例子。例如：在第一章基本概念中讲解自动控制系统的定义和组成的时候，首先需让同学们明白系统的控制过程，因此我分别举了一个人工水位控制系统和自动水位控制系统来对比讲解。由于比较贴近生活，同学们对于这个人工系统的自动运行原理基本都能自发自然的理解，所以稍加引导，就很容易理解控制对象，被控量，给定值，反馈元件，执行机构等概念。
2.2教学内容的改革
自动控制原理课程是理论性较强、概念深的课程，学生普遍反映难学。我们将自动控制原理内容系统化、模块化、最优化，以解决课时少、内容多的矛盾。我们按其理论涉及领域，分为经典线性理论、非线性理论、采样系统和现代控制理论四个模块；按其研究的基本问题，将其分为系统的数学模型、系统的性能分析和系统的综合设计三个基本问题；按其课程的本质而言，直接分为控制系统的特性分析方法和控制器的设计理念。例如，采用了以建立基本概念和掌握基本技能够用为度的知识论述深度原则。基于现代计算机辅助分析设计技术大量应用的现状，减低了系统人工分析部分的比例和重心，节约课时，提高授课效果。
2.3强化启发式教学，搞好创新教育
传统的教学模式，一般都是按照教材的自然顺序按部就班地进行讲解，并且课堂授课中，教师需在黑板上做大量的数学分析推导，画大量的曲线，因此课堂教学往往是索然无味的公式推导、定理证明和手工绘图。在教学中，要改变多年来较为死板的授课方式，充分利用现代化教学手段和生动活泼的教学方式，使课堂教学图文并茂、生动活泼，发挥和调动学生的学习积极性，采用启发式教学，由浅入深。在课堂教学中，通过布置思考题和预习的形式，要求学生课前充分准备，由学生上台讲述有关内容，既考察了学生学习的自觉性和理解能力，又锻炼了学生的表述能力，同时，还加深了对知识的理解和记忆。为了避免教师在讲台上唱独角戏，学生被动接受知识的局面的出现，应采用了讨论课的形式，进行教学互动，使课堂教学生动活泼。为了在教学中充分发挥学生的主观能动性，要培养学生的创新能力，我们一改传统教学中只注重知识的传授而忽视学生思维能力培养的教学方法，更注重在知识的传授过程中来引导、启发学生积极思维的启发式教学方法，使得学生在获取书本知识的同时，其思维能力也有很大的提高。教学过程中掌握好教学节奏，合理的留取学生思考的时间，就能真正的实现教与学的互动，充分激发学生的发散思维，调动学生学习的积极性。
2.4注重对学生进行系统化、工程化概念的强化
例如有意识地在教学别加强加深有关系统数学模型内容的讲述，深入浅出地介绍多种机电、热力、液力系统的数学模型的推导过程和结果，使学生能更多更分地了解到一些控制问题的实际工程背景。
2.5改革考核方式
为了使得学生能够在学好理论的同时将其运用到实际中，激发兴趣，强调过程考核，并且提高考试成绩和及格率，突出教学重点，对这门课实施考试改革以配合教学改革[2]。通过考试改革可以带动教学改革进程，构建融会贯通、紧密配合、有机联系的课程体系。为了培养学生的学习能力和实践能力，同时检查教学效果，在一些章节后组织编排综合型的题目，让学生以小论文的形式提交，将其成绩记录到期末总成绩的平时成绩中。这门课的教学内容可以分成两大部分内容的研究：前三章为控制系统的时域分析，偏重经典理论的研究；后两章为控制系统的频域分析，偏重工程实际应用。针对这样的内容特点，安排两次大作业，让学生对一个生产生活中的实例从时域分析和频域分析方法入手分析系统的稳态过程和暂态过程。大作业成绩也记录到期末总成绩的平时成绩中。最后卷面成绩折合成60%，平时成绩占40%。
3实验课教学改革
3.1将MATLAB应用于虚拟实验中
《自动控制原理》是电气专业学生重要的专业基础课，是后续专业课程的基础。各高校对该课程实验设置与投入都给予了高度重视。但是，其硬件实验存在着实验设备易损、实验结果不稳定等问题，如何让学生直观、便捷地了解《自动控制原理》的基础知识，准确、方便地从实验结果中进行推理是实验教学改革的一个重要问题。虚拟实验是现代实验教学的发展模式，它有效地补充和完善了传统实验，缓解了实验设备不足和滞后等问题。近年来MATLAB在《自动控制原理》虚拟实验中得到了广泛的应用。MATLAB包含了进行控制系统分析与设计所必须的工具箱函数，可以分析连续系统，也可以分析离散系统，并可以进行极点配置控制器设计和最优控制系统设计等多项操作。现以连续系统中的时域分析法、频域分析法及根轨迹分析法为例介绍。
基于MATLAB开发的虚拟实验仿真系统，具有方便、直观、便捷、不易损坏、操作简单等优点。根据实验要求，利用MATLAB软件建立的虚拟实验仿真系统，实现了人机交互，通过对相关参数的设置，成功地对控制系统进行仿真，便于学生对知识的理解，也为学生学习和实验带来便利，使学生能够更为深刻地理解自动控制的基础理论，达到很好的实验效果。这种虚拟实验系统有效地发挥了现有各种信息化教育资源的优势，优化了资源配置，便于实现教育资源的广泛共享。
3.2设立开放实验室
采用设立开放实验室，使学生在掌握基本实验的基础上，充分利用已有的实验设备，增强动手能力。目前开放实验室内容还在继续完善中，已有包括多种电机控制、单容水箱模型、液位综合实验、机器手模型、简单飞行器控制模型等实际系统的模型。学生们可以利用这些模型来检验和巩固自己课堂中所学的系统分析以及系统设计的方法。
4、结束语
在自动控制原理课程建设过程中，这些建议极大地调动了学生学习自动控制原理的主动性，培养了学生的创新能力和工程实践能力。虽然取得了比较好的教学效果，但仍需在今后的教学中作进一步的探索与改进。
参考文献：
篇6
关键词：项目驱动教学；自动控制理论；工程实践能力
作者简介：任金霞（1970-），女，山西孝义人，江西理工大学电气与自动化学院，副教授；王祖麟（1954-），男，江西南昌人，江西理工大学电气与自动化学院，教授。（江西 赣州 341000）
基金项目：本文系江西省教育厅教学研究项目（项目编号：JXJG-11-6-16）、“基于‘3个紧密结合+全面素质教育’的自动化专业人才培养模式创新实验区”（文件号：教高函[2009]27号）的研究成果。
中图分类号：G624.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）28-0090-02
“自动控制原理”是自动化学科重要的专业基础课，该课程内容结构紧密，概念抽象，计算繁杂，与工程实际联系紧密，是学习后续专业课的重要基础。长期以来，该课程采用“课堂讲授+验证性实验”的教学方法，学生感到难学，而且学习后不知道如何应用控制理论解决实际问题。因此，探索项目驱动教学在该课程教学方法中的应用，对提高学生应用控制理论知识解决实际问题的能力和工程实践能力具有现实意义。
一、项目驱动教学法
项目教学是围绕项目而开展的教学活动，将学生解决问题的能力和社会责任感的培养融入项目过程中，让学生积极地学习，自主地进行知识的建构。将所有需要学习和掌握的专业知识都围绕项目这个核心展开，并与这个核心融合在一起，形成一个有机整体。项目过程分为学生组建团队、教师引导、小组协作和公开答辩四个部分。组建团队按照企业研发项目的模式，按照项目的内容和成员的特长进行分工，明确每个成员的职责和任务，通过项目小组团队的学习，在团队合作的环境下，使学生的自学能力、个人能力、人际交往能力、知识运用能力及开发能力得到全面锻炼和提高。教师引导的作用主要是组织和督促，学生遇到困难时给与指导，给学生提出问题，驱动学生去探究，发挥学生的主体作用。团队成员完成各自的任务，还要小组协作，相互协调交流和质疑探讨，看到问题的解决途径，共同完成项目。最后按照项目完成的情况，编制文档，公开答辩，讲解项目的实现过程，展示设计方案和创新之处，接受大家的质疑，总结和提高。
二、“自动控制原理”的教学目标
“自动控制原理”课程要求培养学生建立起专业知识与理论的框架，使学生具备建立控制工程项目的模型分析、建模的能力，具备综合分析和设计自动控制系统的基本能力，具备使用计算机辅助分析和设计自动控制系统的能力，构建项目驱动的能力，进行实物工程设计实践的能力和创新能力，并为运动控制、过程控制的能力培养提供理论支撑。
“自动控制原理”课程不仅理论性强而且实践性也很强，将项目驱动教学法引入到“自动控制原理”课程，将过去以传授知识为主的传统教学理念改变为以解决问题、完成任务为主的互动式教学，有利于实现教学目标。
三、“自动控制原理”项目驱动教学实践
1.项目的选择
项目的好坏直接影响到教学的效果，要围绕控制理论的教学目标，提高学生对具体系统建立数学模型的能力、分析系统的能力和设计控制系统的能力，同时提高文档编写能力和组织协调能力来选择合适的项目。让学生从解决实际工程问题出发来进行专业知识的学习，激发学生对实际工程问题的兴趣，掌握该门课程的知识和研究手段、方法，引导他们探索并掌握解决问题的途径和方法，培养学生项目的组织和管理能力以及沟通能力和团队意识。项目的大小和难度要适中。
笔者在教学实践中选择电炉温度控制系统为项目，因为温度是一个非常重要的过程变量，温度控制在工业领域应用非常广泛，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，它对控制调节器要求较高。因此该项目具有广泛的应用前景，而且体现了自动控制理论的教学目标，学生自己能动手实现，提高了学生的工程实践能力和综合素质。
2.项目要求
这部分由老师提出。老师综合学生所学理论和实践知识，以及学生的理解能力来提出项目要求。设计一个炉温自动控制系统，控制对象为电炉，里面有加热功能。水温可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动调整，以保持设定的温度基本不变。系统设计具体要求：温度设定范围为20℃～70℃；环境温度降低时温度控制的静态误差≤0.5℃；采用适当的控制方法，当设定温度突变（由40℃提高到60℃）时，减小系统的调节时间和超调量；用十进制数码管显示水的实际温度；在设定温度发生突变时，温度能达到指定温度并维持指定温度。
3.系统分析
由于学生刚接触炉温控制系统，对系统的分析方法和总体设计步骤不是很清楚，这个部分由老师引导学生对系统进行分析，中间包括对系统要求的分析、数学模型的建立、控制方案的确定、软件仿真、硬件软件功能的划分。
4.组建团队，收集资料和学习，做出决策
教师将一个班级划分为多个项目小组，实行组长负责制。项目小组的同学讨论项目的实现方法，根据老师的分析，结合自己的理解来画出系统的硬件设计总体框图。在这个过程中学生可以通过查找文献、上网搜索等不同的方式来搜集资料，老师进行讲解，向同学提出各种各样的问题来了解学生对知识的掌握程度，使学生充分理解系统的性能、控制方案等要求，然后小组成员一起讨论，选择各个小组认为合适的硬件结构系统，并按照选择的结构系统设计该温度控制系统。
5.系统控制方案的确定
电炉温度控制系统控制的效果主要取决于控制器的设计。控制方案中控制器的选择有三种，分别是比例控制器、比例-积分控制器和比例-积分-微分控制器。要求学生学习这三种控制器的特点、作用和设计方法，根据项目的需求选择合适的控制器。控制器中的参数确定是一个重要的问题，参数确定的方法很多，学生搜集资料学习讨论确定。
6.系统软硬件设计
在确定系统硬件结构后，设计系统的软件和硬件部分。每个项目小组按照项目的内容和成员的特长进行分工，明确每个成员的职责和任务。硬件电路的设计主要有主机系统的设计、键盘和显示电路设计、测温电路设计、电炉控制电路设计、电源设计、A/D转换，根据几个部分的特点及要求，结合学生对系统的理解程度，proteus环境下画出相应的电路图，最后把各部分的硬件电路整合。软件部分主要完成温度检测、温度控制、定时、温度显示等环节，这些环节可以由不同的学生独立编程完成。碰到问题时，老师可以讲解或者学生自己查资料来解决。各环节程序完成后，再设计系统的主程序和中断程序，这部分内容由大家集体完成。
7.系统硬件调试
本系统的硬件调试分为以下阶段进行调试：逻辑错误调试、器件调试、可靠性调试、电源故障。这部分内容由大家集体完成，发现问题小组成员协调交流共同解决。
8.系统的联机调试
联机调试即软件结合硬件的整体调试，在调试过程中，不仅要检查硬件的问题，还要检查软件问题。在检查硬件没有问题后，然后结合硬件修改软件程序，逐步检查问题，直到调试出结果。这个过程需要小组成员的协作甚至老师的指导，共同完成。
9.系统数学模型的建立及软件仿真
系统调试成功后，对电炉系统施加不同的控制信号，得到电炉温度的输出信号，从而对电炉进行建立数学模型。根据得到的数学模型，通过MATLAB 仿真软件进行仿真实验，得到控制器的参数。数学模型的建立方法可以由老师讲解。
10.电炉温度控制系统的在线控制
在程序中给定电炉的期望温度，将仿真结果讲到的控制器参数写入程序中，在线对系统进行控制。通过观察数码管显示的炉温结果，确定控制的效果是否达到要求。如果没有达到，或者性能指标不好，要学生分析原因，并且找出解决方法。
11.总结答辩
系统设计完成以后，各小组要讨论系统设计过程中出现的各种问题，并讨论通过这次的项目掌握比较好的知识点有哪些，还有哪些方面没有掌握好，师生共同总结知识点和技能点。最后学生提交报告和作品，进行成果展示，进行公开答辩，接受大家的质疑和教师的评价。最后，在总结的基础上，对设计成果进行改进与完善。
四、结束语
项目驱动教学应用在“自动控制原理”课程中，激发了学生的学习兴趣，明确了学习目标，促进了学生学习动力的形成和学习方法的养成。学生主体作用明显，得到了充分的工作体验，实现学生知识到技能的迁移，实现教与学、理论与实践的紧密结合，使学生掌握自动控制的专业知识，具备建立控制工程项目的能力，培养学生的个人能力与团体协作能力，尤其是项目组织、设计、开发和实施能力，从而培养学生的创新意识、工程实践能力和理论联系实际的学风，学生的综合能力得到了提高。
参考文献：
[1]张慧平，戴波，刘娜，等.基于CDIO教育理念的自动化课程的改革与实践[J].电气电子教学学报，2009，（S2）：138-141.
[2]李泽辉.“项目驱动式”教学法的探索与实践[J].实验科学与技术，2011，（2）：133-134.
[3]熊凡，李伟波.项目驱动的软件工程实验教学探讨[J].中国电力教育，2012，（2）：77-79.
[4]李玉鹰.工学结合一体化课程教学设计案例选编[M].北京：外语教学与研究出版社，2011.
篇7
关键词：车辆工程；课程改革；自动控制；系统辨识；M序
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）20-0035-03
一、引言
《自动控制原理》是一门既抽象又具有很强实践性的课程，但是实际上在工业界可以看到诸多从事控制的工程师并非出于自动控制科班出身，即使有自动控制原理基础的工程师他们也几乎很少用到经典控制理论。这一方面是因为PID控制毋需系统模型就可以获得较好的控制品质，另一方面是因为《自动控制原理》的教程中只讲到了在获得传递函数的情况下如何综合控制器，而对传递函数的获取且是很少提及（除了较为浅显地谈及到如何在波德图基础上进行系统辨识）[1，2]。许多硕士研究生在给出一个传递函数的情况下可以进行各种控制算法（如模糊、神经、预测等诸多高级控制技术），但一涉及到如何针对真实系统进行控制器设计，他们就会放弃各种算法转而求助于PID，甚至有些还只会开环控制。这迫使控制理论教学需要被经一步创新。
当前控制理论的研究新成果层出不穷，工业先进控制技术，如自适应控制、预测控制、鲁棒控制、智能控制，最优控制得到了飞速的发展，但工业界对控制理论的应用且一直滞后不前。原因可能有以下三点。
1.过去由于受限于模拟电路去实现控制规律，因此控制算法不宜过于复杂，这导致诸多复杂但优秀的控制算法因难以实现而只能成为理论家们的欣赏品。这种固有的观点一直被放大，但如今数字控制技术发展迅猛，一些DSP处理器的单次浮点运算已经快于0.01微妙，许多高级控制算法的实现基本上不存在物理瓶颈。
2.自动控制系统的设计过程通常对设计团队有许多要求，从大的方面它至少包括：传感器和执行器选择、系统建模或辨识、控制器设计仿真、控制器软硬件实现。经典《自动控制原理》课程只包含整个过程的20%不到的知识点和工作量，而且往往整个过程需要一个团队而不是个体，这在很多中小型企业中是难以做到的。如果回顾当前软硬件技术的发展，这些原本需要团队完成的工作完全可以让个人胜任。目前先进的控制软件包（Matlab中的控制工具箱）、硬件平台以及相关代码自动生成技术（如dSPACE，MotorTron，ETAS，XPC-Target），已经越来越多在汽车工业界被广泛使用，但同样这些技术和产品也适合其他工业控制器的研发。
3.控制理论教学的创新需要继续发展，教材内容和工程实践存在一定的差距。
要克服上述三点必须从自动控制的基础教学抓起，在现存的《自动控制原理》教材中引入合理的新章节或新实验使得学生在控制器设计的所有环节得到相关训练，从而能够让他们在以后的工程实践中借助于相关控制器设计方法而获得较好的系统控制品质，而不是凭借“万能的PID”进行包罗万象的控制器设计，或依然停留在开环控制阶段
二、《自动控制原理》中包含的新内容
作为一门专业基础课，《自动控制原理》的学习不仅仅是为了考试或停留在理论的欣赏，而更多是受惠于以后的工程实践。但是目前《自动控制原理》过多强调系统分析和系统综合，对系统辨识和控制器设计过程缺少相关知识点的介绍。为此本文针对一般控制对象，从知识点上对控制器设计过程的教学进行了探讨。由于控制器综合的基础是控制对象模型，因此系统模型的获取是十分重要的，但同时很多时候系统模型是难以通过机理的方式建立，即使建立也会有很多参数待辨识；另一方面，工业过程大多较为复杂，机理难以分析，因此机理建模往往被束之高阁。通过输入―输出信息进行系统辨识是一种相对普适的方法，它毋需过多的机理分析，也不需要深厚建模功底，而且又能描述大多数系统过程。实际系统总是非线性的，如何用一个线性模型去逼近实际系统是一个复杂的数学问题，很多教材从理论上解释了如何对微分方程线性化[1，2]。缺少从输入-输出的角度去描述非线性系统线性化，其实这更具有工程实践意义，同时也是容易被接受的。下面就从平衡点线性化和M序列系统辨识两方面来解释模型线性化和模型获取，同时给出了实际系统的控制器拓扑结构。这样就可以让学生对模型获取和控制器设计以及实现过程有了一个整体了解。
（一）平衡点线性化
实际系统都是非线性系统，而且工作点也并非处在零点这个位置，这里不妨设实际系统为非时变且可以被描述为：x=f（x，u）y=h（x，u） （1）
其中，x为系统状态，u为系统输入，y为系统输入，f，h均为光滑映射。
篇8
关键词： 《自动控制原理》 系统仿真 MATLAB 实验实践 教学质量
一、引言
《自动控制原理》是高等学校信息类专业的一门主干课程，同时也是一门理论性与实践性结合很强的专业课程。但由于课程内容抽象，计算性强，作图方法多，学生往往不易理解和掌握，甚至产生厌学情绪。为了在教学中充分调动学生的积极性，提高课程教学质量，取得更好的教学效果，笔者将控制系统仿真软件MATLAB与《自动控制原理》课程有机结合，把MATLAB/Simulink引入传统教学方法中，实现《自动控制原理》课堂教学的图形化和交互化，这样不仅可以简化课堂授课的解题过程，而且可以充分利用计算机强大的表现能力，把抽象的问题具体化，便于加深学生对抽象理论知识的理解和接受，有利于学生深入掌握该课程的实质。
另外，实验环节是《自动控制原理》课程不可缺少的一部分。传统的《自动控制原理》实验一般仅采用自控实验箱，在实验箱面板上实现相应典型环节的连接，再通过示波器观察系统的响应曲线。这种单纯依赖自控实验箱的实验方式虽然可以一定程度地锻炼学生的动手能力，但观察效果差，操作复杂，学生只能被动接受实验，实验设备高度集成化，可扩展和创新性差，不利于学生学习主动性和积极性的培养。因此，结合MATLAB仿真软件，克服传统《自动控制原理》模拟实验的局限性，扩展开发自控实验箱的可视化功能，利用MATLAB仿真技术促进《自动控制原理》实验教学改革是笔者要实现的研究目标之一。
二、利用MATLAB仿真改进《自动控制原理》课程教学主要研究内容
1.将课堂教学与MATLAB仿真工具相结合，利用MATLAB形象、生动的演示功能推进演示性课堂教学的实施，使学生在文字描述的基础上结合MATLAB仿真的精确图形，更直观、更准确地理解自动控制原理课程理论中的基本概念。
2.利用MATLAB仿真软件改进《自动控制原理》课程实验内容，指导学生以MATLAB软件为仿真工具，用计算机解决《自动控制原理》课程中的相关知识点问题。实验过程中通过MATLAB语言编制交互性能良好的程序，加深学生对抽象理论知识的理解，增强学生分析问题、解决问题的能力。
3.借助MATLAB仿真软件完成创新性实验，让学生直观地进入实验的本质阶段，体味自动控制仿真的乐趣和创造性，起到激发学生科学创造性的作用。
三、利用MATLAB仿真改进《自动控制原理》课程教学研究的关键技术点
1.应用MATLAB进行模型处理。
2.利用MATLAB绘制线性控制系统的时域响应曲线，并结合MATLAB仿真结果分析系统时域特性。
3.利用MATLAB绘制线性控制系统的根轨迹图，并根据根轨迹图判断系统的稳定性。
4.利用MATLAB绘制线性控制系统的频域响应图（含Bode图及Nyquist曲线），并根据仿真结果研究、分析控制系统的频域特性。
5.应用MATLAB进行离散控制系统分析。
6.利用MATLAB软件的Simulink仿真工具箱，搭建一级直线倒立摆自动控制系统，并通过仿真实验分析研究系统特性。
四、利用MATLAB仿真改进《自动控制原理》课程解决问题举例
根轨迹分析法是经典控制理论中比较成熟的一种图解方法，它是指开环系统中某个参数从零变化到无穷时，闭环极点在复平面上的变化轨迹。利用根轨迹同样可以分析系统的暂态性能和稳态性能。显然，如果是手动求解特征方程，然后逐个画出参数对应某一个值时的闭环极点，再把这些点连成线构成根轨迹，计算量很大，计算过程也很复杂。即使能够绘制出系统的根轨迹，也只是个概略图。如果稍有差错，就会影响到学生对系统性能的判断，甚至产生误判。因此在授课过程中，任课老师迫切希望寻找到一种方法，既根据基本法则绘出粗略的根轨迹图，又方便快捷地得到准确的根轨迹图。
MATLAB控制系统仿真软件是一个对控制系统进行建模、分析和仿真的软件，具有较强的绘图能力，所以可以很好地解决这个问题。使用MATLAB软件提供的rlocus函数，就可以轻松绘制开环传递函数中某个参数在变化时的准确的根轨迹，这样将避免由于手工绘制根轨迹所带来的一些问题。另外，通过调用rlocfind函数，还能够轻松获取根轨迹上某一点所对应的闭环极点和开环增益，极大地减少计算工作量。
例如：绘制开环传递函数为G（s）=■的负反馈系统当K从0∞变化时的根轨迹，可调用下列程序：
num=[1]；
den=[1？摇 3 ？摇2 ？摇0]；
rlocus（num，den）
程序执行后，所绘制根轨迹图如下图所示，从下图可以容易看出根轨迹的起点为0、-1、-2，终点3个∞，根轨迹条数为3条。如果鼠标在根轨迹上任选一点，都可以读出该点对应的闭环极点P和增益K，以及根轨迹的分离点和相应的根轨迹增益kg。当K从0∞变化，两条根轨迹随着K的增大越过虚轴向右伸展，也就是说系统有一对闭环极点的实部是由负数逐渐变化到正数的，所以系统的稳定性是在变差，经临界稳定最后变得不稳定。由根轨迹图可以很方便地求出使系统稳定的开环增益K的取值范围。
图 MATLAB下线性系统的根轨迹图
五、结语
笔者利用MATLAB仿真改进《自动控制原理》课程教学，满足了《自动控制原理》课程教学方法转换的迫切需求，且通过实践表明，教学效果令人满意，极大提高课堂效率、增强学生的动手能力，激发学生的学习兴趣。
参考文献：
[1]刘军.高职高专《自动控制原理》课程教学的研究.现代企业教育，2007（22）.
[2]陈旭，余国林.自动控制原理探索与研究.电气电子教学学报刊，2009，10.
篇9
关键词： 自动控制原理 教学改革与实践 MATLAB
一、引言
自动控制原理课程是控制类和电子信息类专业的主要专业基础课之一，通过对控制理论知识的学习，使学生掌握自动控制系统的基本概念和系统分析、设计的基本方法，初步掌握系统实验技能，学会运用MATLAB进行辅助分析设计的方法，为后续课程的学习和进一步深造打下必要的理论基础，该课程对学生建立系统和工程的概念具有十分重要的意义。自动控制原理是一门集理论性、实践性、综合性于一体的课程，有一定的深度和学习难度，在学习过程中容易感到枯燥乏味，传统的教师讲授型教学方式，以教师授课为主，师生互动较少；基本概念、基本原理阐述多，理论与实践脱节，学生难以理解。为了促进教学质量的提高，对该课程进行教学改革是十分必要的。
二、自动控制原理教学中的几点体会
1.改革课程体系，优化教学内容，提高教学质量
自动控制原理是一门理论性和综合性很强的专业基础课，要求学生具有扎实的基础知识和较强的计算能力，导致学习过程相对困难。再加上课程在教学过程中，内容多学时少的矛盾也较为突出，所以精选课程内容，改革课程体系就是首当其冲必须完成的。应对理论性过强和目前工程实际中较少使用的内容进行适当的调整和删减，做到精选课程内容，突出重点。本课程的重点是线性系统的数学建模、性能分析与综合校正。课程的难点是性能分析与综合校正。在教学过程中，应当突出重点和化解难点，在教学过程中以建模、分析和综合为贯穿全课程的主线，进而展开教学，使学生在整个学习过程中，做到举一反三，从而对自动控制理论有一个完整清晰的理解。
针对理论性较强的内容，在教学过程中淡化推导，淡化具体的计算过程，强化定性分析和认识。以具体工程实例为出发点，通过恰当的举例，把抽象问题具体化，便于学生对抽象概念的理解，让学生不再认为是在学习一门纯理论的课程，而是一门工程实践课程，消除对课程的恐惧感，增加学习的兴趣。比如控制理论中反馈是一个非常重要的概念，在讲到开环和闭环时，可以用生活中实例来说明，一台真正的全自动洗衣机如果能检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源的功能，它就是一个闭环控制系统。
2.多种教学方法相结合，提升教学手段
自动控制原理课程理论性强，内容抽象，并且计算内容非常多，在分析的过程中还大量使用图表，如果用传统的板书式教学，会花费大量的时间在公式推导和曲线绘制上。而多媒体教学可以在绘图的准确性和快速性方面有较大提高，还有助于学生对抽象知识的理解。在教学中以多媒体教学为主，对于一些重点难点适当的辅以板书，同时加强课堂互动，提高教学效果。
自动控制原理是来源于控制实践的理论课程，在学习系统分析和综合校正的过程中，计算量很大，分析过程繁琐，学生理解起来比较困难。MATLAB软件功能强大，具有先进的视觉化功能，是一种强大的科学计算语言。特别是研究系统中某个参数或环节变化时对系统的影响，可以很直观的通过MATLAB展现出来。例如，已知一侦察车速度控制系统的开环传递函数为，要求是用频率响应法选择系统增益K，使侦察车速度控制系统的单位阶跃响应有较小的稳态误差和超调量。根据劳思稳定判据可知：使闭环系统稳定的K值范围为K>0。可将系统近似为振荡二阶系统，取不同K，通过用MATLAB编程，可绘制出系统的单位阶跃响应曲线如图所示
综合考虑图中结果，以取K=10时系统的各方面性能较好。
在教学过程中发挥MATLAB在自动控制原理教学中的应用，使学生在此过程中可以即时观察分析结论，以加深对课程本质的理解，全面掌握所学内容。
3.重视实验实训教学，培养学生实践和创新能力
实验教学不仅是对理论知识的验证，更重要的是培养学生动手能力、创新精神和能力的重要途径。传统的实验课程主要是利用实验箱做一些验证性实验，实验结果受各方面影响很大，不利于学生理解和认识。利用MATLAB软件的SIMULINK仿真平台作仿真实验，能很好解决物理实验的不足，加深对课程知识的理解，还可以将实验延伸到课外进行。学生根据个人情况自主选择难度等级不同的实验，根据系统的性能要求，独立完成系统设计，系统搭建和调试，记录原始数据和图形，写出实验报告。不仅调动了学生学习的主动性和积极性，巩固了课程理论，激发了学生学习的热情，还培养了学生的动手能力和独立思考的能力，使其观察、分析和解决问题的能力都有很大的提高。对于巩固和应用所学知识，提高实践能力，把理论和实践很好的结合起来有着重要的意义。
三、结束语
随着自动化技术在生产和生活中的广泛而深入的应用，自动控制原理作为一门具有“方法论”特点的课程也越发得到重视。实践表明，通过以上对自动控制理论课程的从教学内容、方法及形式、教材建设、实践教学等方面进行的全方位、多层次的改革探索和实践，尤其是将MATLAB引入到课程教学中，很好地激发了学生的学习热情，提高了学生的实际应用能力，取得了良好的教学效果。
参考文献：
[1]黄坚.自动控制原理及其应用[M].北京：高等教育出版社，2004.
[2]郑明方.自动控制理论课程的教学改革与实践[J].江苏上业学院学报，2003，（6）：55-56.
篇10
【关键词】MATLAB语言；GUI；虚拟实验平台
1. 研究意义
本文以典型线性实验系统为研究对象，基于 MATLAB 设计出实时控制统一的实验平台。该实验平台依托MATLAB数值计算以及数字仿真功能，可以完成控制系统模型分析、综合设计、仿真研究和在线分析的整个过程，实现验证性、开放性、设计性等不同层次实验的要求，为设计开发实验平台打下基础。GUI的设计是基于MATLAB的GUIDE开发环境，利用面向对象的编程技术，达到使实验者可以通过简单的鼠标拖放以及参数的修改完成仿真实验。以二阶系统的阶跃响应输入为例，有效验证虚拟实验平台的运行效果。通过实验设计可靠的控制策略并根据实验现象和实验数据修改控制参数等来控制试验系统的稳定性。
2. 二阶系统的阶跃响应简介
分析二阶系统的动态特性对于研究自动控制系统的动态特性有重要意义。因为在实际工作中，在一定条件下，忽略一些次要因素，常常可以把一个高阶系统降为二级系统来处理，仍不失其运动过程的基本性质。二阶系统的实验电路如图1所示。
图1二阶系统的实验电路
已知典型的单位反馈系统来分析二阶系统的单位阶跃响应及其动态指标。假
设初始条件为零，输出量的拉氏变换为：
系统的特征方程为s2+2εWn+W2n=0 ；由特征方程可以解出特征方程式的根，这些根与阻尼比 ε有关。可以分几种情况来分析二阶系统的动态特性。
2.1过阻尼的情况。
系统的特征根为
由于阻尼比大于1（ε>1） ，所以-P1 及-P2均位于根平面（即s平面）虚轴的左侧，并且均在是实轴上。动态响应曲线由稳态分量和暂态分量组成。暂态分量又包含两项衰减指数项，一项衰减指数项为-P1=-（ε-ε2-1） Wn ，另一项为-P2=-（ε+ε2-1） 。当ε1 时，后一项的衰减指数比前一项的衰减指数衰减得快，因此后一项暂态分量只是在响应的前期对系统有所影响，而在后期影响甚小。可以看出这种情况下系统是为无震荡无超调的单调递增的暂态响应，如图2所示。由实验的阶跃响应图可以得出在过阻尼情况下，动态特性为单调变化曲线，没有超调和振荡，但调节时间较长，系统反应迟缓。2.2欠阻尼的情况。
当 0
2.3临界阻尼的情况。
当 ε=1时为临界阻尼，这种情况是无超调，这时的二阶系统的动态响应为一条上升曲线，如图4所示。
图4临界阻尼的阶跃响应
2.4无阻尼的情况。
（1）当ε=0 时为无阻尼的情况，这时系统为无衰减的震荡，其震荡角频率为 Wn，系统动态响应曲线如图5所示。
图5无阻尼的阶跃响应
（2）综上所述可以看出，在不同的阻尼比时二阶系统的动态响应有很大的区别，因此阻尼比ε 是二阶系统的重要参量。当ε0 时，系统不能正常工作，而在 ε1时，系统的动态响应进行的又太慢。所以对于二阶系统来说，欠阻尼情况（ 0
3. 线性系统稳定性的研究
（1）一个系统正常工作的首要条件，就是它必须是稳定的。所谓稳定，是指系统受到瞬时扰动的作用，使被控量xc（t） 偏离了原始的平衡状态而产生偏差Δxc ，当瞬时扰动消失后， Δxc 逐渐衰减，经过足够长的时间，Δxc 趋近于零，系统恢复到原来的平衡状态，则系统是稳定的。反之，若Δxc 随着事件的推移而发散，则系统是不稳定的。
（2）线性系统的稳定性取决于系统本身固有的特性而与扰动信号无关，它取决于瞬时扰动消失后的暂态分量的衰减与否。暂态分量的衰减与否取决于系统闭环传递函数的极点（系统的特征根）在s平面的分布：如果所有极点都分布在s平面的左侧，系统的暂态分量将逐渐衰减为零，则系统是稳定的；如果有共轭极点分布在虚轴上，则系统的暂态分量做简谐震荡，系统处于临界稳定状态；如果有闭环极点分布在s平面的右侧，系统具有发散震荡的分量，则系统是不稳定的。
（3）由上述分析可知，线性系统稳定的充分必要条件是：系统的特征方程根（即系统的闭环传递函数的极点）全部为实数或具有负实部的共轭复数，也就是所有闭环特征根分布在s平面虚轴的左侧。由讨论结果知道：ε>0 时，系统的极点均位于s左半平面，系统的动态过程呈现指数衰减或衰减振荡，系统是稳定的；ε0 时，系统的极点位于虚轴或s右半平面，系统的动态过程呈现等幅振荡或发散振荡，系统是不稳定的。
4. GUI简介
（1）图形用户界面（Graphical User Interface，简称为GUI）是用户与计算机进行信息交流的窗口，它的设计是虚拟实验仿真平台的主要工作之一。用户可以通过某种方式来选择或者激活用户界面上菜单、对话框以及控件等图形对象，来运行一些特定的M文件。
（2）利用MATLAB7.0版中的图形用户界面设计向导编辑器GUIDE进行可视化编程，即可完成软件界面的创建。在图形的设计过程中，GUIDE提供了下面一些工具：菜单编辑器、对象浏览器、属性编辑器、控件布置编辑器、网格标尺设置编辑器和GUIDE应用属性设置编辑器等。用户将它提供的工具与编程经验结合起来，可以方便地创建友好的图形用户界面。各级界面主要利用向导编辑器GUIDE中提供的控件（如按钮、文本框等）来设计友好的交互式界面。使用Property Inspector修改控件属性，如背景色、前景色、字体及大小、位置、标志、类型等，控件不同属性也不相同。借助GUI设计面板提供的控件布置编辑器/Align Objects0，可以很容易的对所选对象进行水平、垂直和间隔排列布置。
（3）通过图形界面中的控件的操作来完成图形界面的功能，这些操作是通过函数代码的执行来完成的。函数代码的编制可以通过编写回调函数实现，在编写时可以把该控件的函数代码直接书写在/Callback0属性中，也可以把函数代码放在一个自定义的M文件中，而在/Callback0中只写上其文件名。当操作该控件时，系统会自动执行/Callback0中所要求执行的内容，完成相应的功能。
图6虚拟实验平台的四个模块
图7二阶系统的阶跃相响应界面
图8系统稳定性分析界面
