基于Matlab平台的自动控制实验教学改革
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。
基于Matlab平台的自动控制实验教学改革探索
而
， 绘制 ＝ ５ 时， ‘ 取不
同值时的伯德图。 （ 如图 ３ ）
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已知 一个单 位负 反馈 系统为 ： Ｇ （ ｓ ） ＝ ：
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系统当 ｋ 分别为 ｌ Ｉ ４ 、 ２ － ３ 、 ３ ． ５ 时 的单位 阶跃给定 响应 曲线 。 （ 如图 １ ）
％Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ ＰＲ０ＧＲＡＭ ｃ ｌ ｅ ａ ｒ
图１ 单位 阶跃 响应 （ －） 连续 系统根轨迹分析 的Ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ 实现
ｓ ｅ ｍｉ ｌ ｏ ｇ ｘ （ ｗ ， ２ ０ ｌ ｏ ｇ （ ｍａ ｇ ） ） ； ｓ ｕ ｂ ｐ ｌ ｏ ｔ （ ２ ， １ ， ２ ） ； ｈ ｏ ｌ ｄ ｏ ｎ ； ｓ ｅ ｍｉ ｌ ｏ ｇ ｘ （ ｗ， ｐ ｈ ａ ｓ ｅ ） ；
Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ实 验 教 学 （ 一） 连续系统时域分析 的Ｍａ ｔ ｌ ａ ｂ 实现
一
ｒ ｌ ｏ ｃ ｕ ｓ （ ｎ ｕ ｍ， ｄ ｅ ｎ ） ；
ｓ ｇ ｒ ｉ ｄ
（ 三） 连续系统频域分析 的Ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ 实现 典 型二 阶系统 Ｇ （ ｓ ） ＝ Ｚ Ｕ ｎ ２
ｅ ｎ ｄ
－
１
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Ｆ ｍ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ （ ｒ ａ ｄ ／ ｓ ｅ ｃ ）
ｐ ｌ ｏ ｔ （ ｔ ， ｙ （ ： ， １ ： ３ ） ） ， ｇ ｒ ｉ ｄ ｇ ｔ ｅ ｘ ｔ （ ’ ｋ ＝ １ ． ４ ‘ ） ， ｇ ｔ ｅ ｘ ｔ （ ’ ｋ ＝ ２ ． ３ 。 ） ， １ ｔ ｅ ｘ ｔ （ ’ ｋ ＝ ３ ． ５ ’ ）
基于MATALAB自动控制原理实验平台设计
第1章基于MATALAB自动控制原理1.1 自动控制的基本原理1.1.1自动控制技术所谓的自动控制就是在无人的条件下，利用某些装置或设备使机器自动工作于生产在某一个状态或自动地按照预想地状态下规律的工作。
在现代很多科学领域中运用到了自动控制技术，例如：导弹能正确命中目标，人造卫星的对接技术，电动机自动地启与停等等。
这些高水平科技都运用到了自动控制技术。
自动控制理论体系是以传递函数为基础的经典控制理论。
它首先研究的是单输入-单输出，线性订场系统分析和设计。
进而演变到现在的现代控制理论，而现在主要研究的方法是状态空间法。
状态空间法是一种时域的分析方法，主要是在线性代数的基础上，通过矩阵的计算和转换来分析自动控制系统参数变换。
特点:从输入-状态-输出的关系全面地分析与研究系统适用范围：不限于线性定常系统，也适用于线性时变，非线性及离散系统，多输入、多输出的情况。
大系统理论:20世纪70年代始将现代控制理论与系统理论相结合核心思想：系统的分解与协调，多级递阶优化与控制适用范围：高维线性系统闭环控制与开环控制闭环控制：在反馈控制系统中，被控变量送回输入端，与设定值进行比较，根据偏差进行控制，控制被控变量，这样，整个进行控制，使偏差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的反馈控制在一个自动控制系统中，要让这个系统保持某个状态下一直正常运行最基本的是基于反馈控制原理组成的反馈系统。
反馈系统的原理是：控制装置作用于被控对象，取被控量的反馈信息，通过控制输入量与被控量偏差，进而对被控对象的控制。
检测元件和变送器的作用是把被控变量c(t)转化为测量值y(t)。
(1) 比较机构的作用是比较设定值r(t)与测量值y(t)并输出其差值e(t)。
(2) 控制装臵的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况，按某种预定的控制规律给出控制作用u(t)。
比较机构和控制装臵通常组合在一起，称为控制器。
(3) 执行器的作用是接受控制器送来的u(t)，相应地去改变控制变量q(t)。
基于MATLAB的《自动控制原理》教学辅助软件的设计开题报告
[9] 魏泽国.自动控制原理[M].北京：北京煤炭工业出版社,1994
[10]王华乔. 基于MATLABGUI的自动控制原理仿真ATLAB在控制理论时域分析法教学中的应用[期刊论文].
[12]杨海勇.MATLAB仿真在自动控制类课程的应用[期刊论文].
《自动控制原理》是高等工科院校自动化专业和电子信息类专业的一门重要基础课程。其应用领域非常广泛，几乎遍及电类及非电类的各个工程技术学科，学好这门课程，掌握自动控制的基本原理，学会自动控制系统的分析和设计方法，对于高等工科院校自动化专业和电子信息类专业的学生来说是非常重要的。《自动控制原理》课程涉及到控制系统的模型建立、系统分析、系统设计等理论基础，其理论计算繁琐，绘图复杂。给学生的学习带来许多困难。《MATLAB及系统仿真》是自动化专业的重要专业基础课。仿真软件MATLAB具备卓越的数值计算能力和交互式的仿真环境，提供了大量的内置函数，广泛地应用于科学计算、信息处理、控制系统等领域的分析、仿真和设计工作。近年来，MATLAB的应用逐渐盛行起来，成为科研、教学、工程领域中不可缺少的助手。而利用MATLAB进行仿真，借助软件强大的计算和绘图能力，能直观地领会和理解相关分析方法，对课程的学习有很大的帮助[12]。
MATLAB与自动控制原理课程的整合，不能是简单的结合，被动的融人，而是高层次的主动适应，其结果将带来课程内容、课程实施、课程评价和课程资源的变革，同时也是传统教学中教师的作用和师生之问关系的变革，这不仅仅表现为策略或内容上的交叉、渗透、组合、综合更重要的是表达了一种新的教育思想和教育理念，而其最终将应用软件MATLAB作为辅助的高级认知工具，从而带动高校理工科教学的全面改革[13]。
MATLAB在“自动控制原理”实验教学中的应用探析
MATLAB在“自动控制原理”实验教学中的应用探析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。
标签：MATLAB；自动控制原理；实验教学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。
基于MATLAB的自动控制理论教学改革探索
2020.23科技论坛基于MATLAB的自动控制理论教学改革探索李艳芳，徐晓霞，焦灵侠(西安工商学院，陕西西安，710200)摘要：自动控制理论课程具有理论性强、难以分析计算的特点，结合本校学生基本情况,本文针对课程的特点，釆用引入MATLAB仿真软件教学作为课堂授课的一个亮点。
教学改革实践结果表明，《自动控制理论》这门课的教学质量得到极大提高。
关键词：自动控制理论；MATLAB；教学改革Teachi ng reform of automatic control theory based on MATLABLi Yanfang,Xu Xiaoxia,Jiao Lingxia(Xi9an Industrial and Commercial College,Xi'an Shaanxi,710200)Abstract:The course of automatic control theory has the characteristics of strong theory and difficuIt analysis and calculation.According to the characteristics of the course,this paper introduces matlab Simulation software teaching as a highlight of classroom teaching.The practice of teaching reform shows that the teaching quality of airtomatic control theory has been greatly improved.Keywords；airtoma/tic control theory;MATLAB;teaching reformo引言“自动控制理论”课程是我们学校电子信息工程、自动化专业和电气工程及其自动化专业的一门理论性很强的专业基础课，也是其它电类、机电类专业的一门主干课程。
实验二：基于MATLAB_GUI的自动控制原理虚拟实验平台
９６科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ２０１１ ＮＯ．３５Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ工 程 技 术引言《自动控制原理》是电气信息类专业的核心课程，理论性强，实验是理解和消化课程内容的重要途径。
目前许多高校的实验教学还处于传统模拟实验阶段，利用集成封闭的实验箱，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。
这种实验方法存在明显不足：（１）实验箱集成度高，学生对实验呈现出盲目性，同时容易损坏仪器设备。
（２）知识学习和实验动手操作相互分离，使学生缺乏学习主动性和创造性。
（３）由于元件非线性等因素，使实验结果与理论知识差异较大。
ＭＡＴＬＡＢ是面对科学计算的高性能可视化仿真软件，ＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ ＵｓｅｒＩｎｔｅｒｆａｃｅｓ）是一种新型的图形用户界面。
通过ＭＡＴＬＡＢ／ＧＵＩ设计和开发《自动控制原理》虚拟实验平台，不但能很好地解决传统实验存在的问题，加深对自动控制原理理论课程内容的理解，更能使学生摆脱复杂的数学推导，对新知识产生浓厚的探索兴趣。
1 虚拟实验平台的总体设计整个平台由控制面板、登录界面、实验界面和主界面四大模块组成。
控制面板：设置进入按钮和提供一些简单的信息，如研制单位，研制人员。
登录界面：主要用于用户登录，还包括用户注册、修改密码、用户管理的功能。
主界面：用于各实验界面的调用，并对平台功能和使用法方法进行介绍。
实验界面：用于各实验的仿真操作，包括设置参数、指标计算、数据输出和保存等功能。
2 用户界面的设计2.1实验界面以根轨迹为例，介绍实验界面的设计。
先在草纸上构思界面的草图，设计坐标轴（ａｘｅｓ）、标注以及显示相关输出参数需要８个静文本框（ｓｔａｔｉｃ ｔｅｘｔ），６个编辑文本框（ｅｄｉｔ ｔｅｘｔ）来输入参数，四个控制按钮（ｐｕｓｈ ｂｕｔｔｏｎ）来控制图形的显示以及相关操作。
基于MATLAB软件和NI ELVIS平台的自动控制原理课程教学研究与改革
基于MATLAB软件和NI ELVIS平台的自动控制原理课程教学研究与改革作者：张星红王汝锋赵志国来源：《科技资讯》2020年第15期摘; 要：自动控制原理是多学科交叉的一门专业课，注重理论和实践的密切结合。
该文通过对自动控制原理的抽象化和强理论性等特点以及学生学习缺乏积极性和主动性等问题的分析，为提高教学质量，深化课程的教学改革，培养学生分析和解决实际问题的能力，将MATLAB语言、NI ELVIS硬件平台和自动控制理论有机结合起来。
理实平台结合的教学手段，丰富了课堂的多元化和创新性。
学生可以直观地分析理论，编写相应控制程序，提高了学生的编程能力、创新思维能力和辩证思维能力，调动了学生对学习的积极性和主动性，大幅度提高了课堂教学效果。
关键词：自动控制原理; MATLAB软件; ;NI ELVIS平台; 教学改革中图分类号：G642.0 ; ;文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）05（c）-0015-021; 教学过程存在的主要问题1.1 推导理论性强、内容抽象化课程涉及的数学基础较为广泛，从高等数学、复变函数、工程高等代数到离散数学等，这些数学推导内容理论性强、教学内容抽象化、公式推导复杂化，无法给学生一种直观的感性认知和理解。
1.2 实验与理论未同步，教学理念滞后由于实验课不能与理论课同步进行，理论先行实验滞后的教学理念，使实验环节与理论教学有一定的时间间隔，这样学生将无法及时用实验验证理论的正确性。
同时，自控原理的实验环节几乎都是针对理论教学知识的验证，缺少相关课程之间的联系，尽管学生做了实验，但无法从系统的角度把握所学知识，更谈不上融会贯通和学以致用。
1.3 教学手段单一由于自动控制原理中理论推导较多、作图方法较多，在课堂教学中，仅用PPT课件和黑板的教学手法具有单一性、枯燥性，无法给学生一种直观的感性认知和理解。
这种教学手段很容易造成学生注意力分散和理解困难，从而对这门课程产生抵触情绪。
基于MATLAB的《自动控制原理》实验教学探讨
阵计算 、 图形绘制 、 数据处理 、 图象处理、 方便的 Ｗｉ ｎ — ｄｗ 编程等便利工具。此外 ， ｏｓ 国际控制界的很多著名
专家将 自己擅 长的 Ｃ Ｄ方法用 Ｍ Ｔ Ａ Ａ Ａ Ｌ Ｂ加 以实现，
形成大量 的 Ｍ Ｔ Ａ Ａ Ｌ Ｂ配套 工具箱。这些工具箱将一 流专 家学 者 的理 论 和经 验 与 Ｍ Ｔ Ａ Ａ Ｌ Ｂ高 技 术 计 算 环 境 的 内在 效力 及灵 活 性有 机 地集 成 为一体 。用户不 仅 可快速获得特定问题 的准确答案 ， 而且能随时对各类 计算 或测试数据进行可视化处理。 ２ 将 ＭＡ Ｌ Ｔ ＡＢ引入 自动控 制 原理 中的 必要性
式和数学表达习惯 ， 并在很大程度上摆脱 了传统非交 互式 程序设 计语 言 （ Ｃ、Ｏ Ｔ Ａ 等 ） 编 程模 式 ， 如 ＦＲ Ｒ Ｎ 的 代 表 了当今 国际科学 计 算软 件 的先 进水 平 。 目前 ＭＡ Ｌ Ｂ已成为 国际上 控 制界 最 流 行 软件 。 ＴＡ
Ｍ ＴＡ Ａ Ｌ Ｂ语言执行效率较低 ， 但其编程效率与可
一
Ｍ ＴＡ Ａ Ｌ Ｂ语言可在 目前的各种类型的计算机上运 行， 安装简易 。单纯使用 Ｍ Ｔ Ａ Ａ Ｌ Ｂ语言进行编程 的程 序可以不做丝毫修改便可直接移植到其它机型上去使 用， 提供学生上机实 习的外部环境 相对简单、 容易 实
现。
简捷、 有效的编程工具。在它的编程环境中， 任何复杂 计算问题及其解的描述均十分符合人们 的逻辑思维方
控制理论 ， 可以增 强学生的研 究能 力和 创新 能力 ， 并 弥补 了传 统硬件 实验 的不足 ， 大大提 高 了实验效 率 ， 改善 了实验效
基于MATLAB的电力拖动自动控制系统课程教学改革探讨
基于MATLAB的电力拖动自动控制系统课程教学改革探讨【摘要】本文探讨了基于MATLAB的电力拖动自动控制系统课程教学改革。
引言部分介绍了背景、研究意义及研究目的。
正文包括电力拖动自动控制系统概述、传统教学存在的问题、基于MATLAB的教学改革方案、实践效果评价及教学改革的启示。
结论部分总结了研究成果并展望未来研究方向。
本研究旨在提高电力拖动自动控制系统课程的教学效果，并为教育教学改革提供借鉴。
通过实践效果评价，发现基于MATLAB技术的教学方法能够有效提升学生的实践能力和项目实施能力，为学生提供了更好的学习体验和职业发展前景。
未来的研究方向可以进一步探索更多新颖的教学模式和技术手段，以更好地满足教学的需求和学生的学习需求。
【关键词】电力拖动自动控制系统、MATLAB、课程教学、改革、实践效果评价、教学启示、未来研究方向1. 引言1.1 背景介绍随着工业化的快速发展，电力拖动自动控制系统在工业生产中扮演着越来越重要的角色。
这种系统利用电动机驱动机械设备进行工作，并通过自动控制系统来实现监测和调节生产过程。
它不仅可以提高生产效率和产品质量，还可以减少能源消耗和人力成本，因此受到越来越多企业和工厂的青睐。
传统的电力拖动自动控制系统课程教学存在一些问题，比如教学内容过于理论化，缺乏实践操作环节，学生缺乏实际操作能力等。
为了解决这些问题，我们需要进行课程教学改革，以更好地培养学生的实际操作能力和创新能力。
本文旨在探讨基于MATLAB的电力拖动自动控制系统课程教学改革，旨在提高学生的实际操作能力和创新意识，进一步推动电力拖动自动控制系统在工业领域的应用和发展。
通过本次研究，我们希望能够为电力拖动自动控制系统课程教学改革提供一些新的思路和方法。
1.2 研究意义电力拖动自动控制系统在现代工业生产中具有重要的应用价值，其稳定性和精确性直接影响到生产效率和产品质量。
对电力拖动自动控制系统的教学改革具有重要的研究意义。