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MATLAB 仿真软件在《自动控制原理》教学中的应用与实践*高联学（滨州学院电气工程学院，山东 滨州 256600）摘 要：运用MATLAB 仿真软件进行《自动控制原理》教学，能让学生直观、动态地观察参数的变化对实验结果的影响，加深对课堂知识的理解，突破时间和空间的限制，体现以学生为中心的理念，注重学生的过程性考核和实践动手能力的提高，具有很强的实用性。
关键词：MATLAB 仿真软件；《自动控制原理》；应用；实践中图分类号：G642；TP13-4 文献标志码：A 文章编号：1672-3872（2019）10-0008-02——————————————基金项目： 滨州学院实验技术研究项目（BZXYSYXM201416）作者简介： 高联学（1978—），男，山东滨州人，硕士，副教授，研究方向：电力电子与电力传动。
《自动控制原理》是控制科学与工程一级学科的核心课程，也是电子信息类专业的重要基础课。
该课程的知识涵盖物理、化学、生物、电子、机械等方面，讲授的基本原理比较抽象，学生不容易理解和掌握，大多数学生听完课后对课堂上教师讲授的内容印象不深，甚至有个别学生一开始听不懂，往后就干脆不听了，长此以往，对学生的发展非常不利。
即使学生到实验室做实验，由于实验内容陈旧，形式单一，主要是实验箱式的验证性实验，很难提高学生的理解能力和动手能力。
将MATLAB 仿真软件运用到《自动控制原理》理论教学和实验教学中，是理论联系实际的重要手段，能加深学生对所学理论的理解，帮助其发现在课堂上所学知识的不足之处，并及时改进，增强学生对《自动控制原理》课程的学习积极性和主动性。
1 《自动控制原理》课程教学中存在的问题《自动控制原理》的主要内容有自动控制系统概述、控制系统的数学模型、控制系统的时域分析法、根轨迹法、控制系统的频率域分析法、控制系统的校正、非线性系统分析、离散控制系统等，实验包括典型环节的电路模拟、二阶系统的瞬态响应、高阶系统的瞬态响应和稳定性分析、线性定常系统的稳态误差、典型环节和系统频率特性的测量、线性定常系统的串联校正、典型非线性环节的静态特性、非线性系统的描述函数法、非线性系统的相平面分析法、采样控制系统的分析、采样控制系统的动态校正等内容。
HEBEINONGJI摘要:“自动控制原理”是电气与自动化专业重要的专业基础课，内容抽象、复杂，学生理解困难。
近年来，随着MATLAB引入自动控制原理教学实践中，利用其强大的数值计算及绘图功能，对教学形式和内容进行了有力改革,从而有效地提高了课堂教学效率及教学效果。
关键词：自动控制原理;MATLAB;教学改革MATLAB在“自动控制原理力课程中的应用研究河北农业大学李珊珊孔德刚弋景刚袁永伟刘江涛引言自动控制原理是电气与自动化专业一门重要的专业技术基础课，该课程在内容体系中起着承上启下的作用。
主要介绍讨论了单输入一单输出定常系统的控制问题，讲授经典控制理论的三大分析方法一时域分析法、根轨迹分析法和频域分析法，自动控制系统综合与校正的一般方法和非线性系统等内容，课程具有一定的抽象性，包含大量的数学内容和复杂计算。
通过学习,要求学生系统掌握自动控制的基本原理和基本方法，并能对控制系统进行定性分析、定量计算和综合设计。
学生普遍反映难以理解，内容枯燥。
基于此，需要对教学内容及教学方法进行更新，在教学中引入了MATLAB编程语言。
1现代教育理念1.1以学生为中心美国人本主义心理学家卡尔•罗杰斯于1952年提出“以学生为本”的教育理念，主张促进学生个性发展、人格完善和潜能发挥,使他们能够愉快地、创造性地学习和工作。
目前,这种教育理念仍然作为一种基本的现代教育理念。
1.2创新发展的理念党的十八届五中全会提出“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念，其中创新被置于首位。
随着互联网技术的迅速发展，知识更新换代速度加快，对复合创新型人才的需求愈发强烈，人才培养要摒弃传统的知识灌溉模式,应将教学重点转移到重视研究方法学习、培养创新精神上。
1.3OBE教育理念OBE为"Outcomes-based Education"的缩写，OBE教育理念即基于成果导向的教育理念。
美国的Spady在《基于产出的教育模式:争议与答案》一书中把OBE定义为“关注和组织教育体系,以确保学生在未来的生活中获得实质性的成功经验”。
MATLAB在“自动控制原理”教学中的应用作者：李来强， 王树林作者单位：上海理工大学 能源与动力工程学院，上海，200093相似文献(10条)1.会议论文朱立红.张良设计目录在机械专业学生创新思维能力培养中的应用2009培养学生的创新思维能力是高等教育的重要任务.简述创新能力、创新思维以及设计目录的概况。
给出了设计目录的方法和内容，以机械传动原理方案的设计目录的编制为例，探讨设计目录与创新思维能力之间的关联以及在学生创新思维能力培养中的应用过程。
2.会议论文王勇.李剑锋.张慧.赵军完善质量监控体系，提高学生能力与素质——山东大学机械设计制造及其自动化专业工程教育专业认证试点体会2008机械设计制造及其自动化专业2007年11月参加并通过了全国工程教育专业认证。
专业认证是适应国家工程师制度改革的需要，建立和完善高等教育质量保证体系，促进工程教育的国际互认，推进工程教育教学改革与建设的必由之路。
本文总结并介绍了参加工程教育专业认证的体会与经验。
工程教育专业认证必须结合学校办学理念，明确专业培养目标。
围绕学生能力培养，科学设置课程。
改进实践教学体系，提高学生综合素质。
建立科学、规范的教学管理制度和质量保障制度，并严格执行落实。
3.会议论文李伟.戴光.李宝彦.林玉娟.张颖过程装备与控制工程省重点专业建设与改革2009本文对大庆石油学院过程装备与控制工程省重点专业建设情况进行了介绍。
大庆石油学院过程装备与控制工程专业源于1961年建校初期创办的化工设备与机械专业，是我国较早设置这一专业的学校之一。
1998年颁布根据教育部《普通高等学校本科专业目录》更名为“过程装备与控制工程”专业。
经过四十多年的建设与改革，目前，本专业为黑龙江省重点专业，具有博士学位授权点1个、硕士一级学科1个。
进入新世纪以来，我专业密切关注高等教育教学改革的方向，积极贯彻教育部2001年4号、5号和2005年1号文件精神，结合教育为东北老工业基地服务和省级重点专业建设计划，重新定位专业服务面向，发挥优势，突出特色，通过修订人才培养方案、深化教学内容与教学手段改革、建设高水平师资队伍、强化实践教学以及推进科研促教学等方面工作，不断加强建设，深化改革，着力打造全省及至全国品牌专业。
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。
MATLAB 在自动控制原理课程教学中的运用研究摘要:“自动控制原理”是自动化专业的重要专业基础课，其课程建设是非常必要和重要的。
近年来，MATLAB已被引入到教学实践中自动控制原理的教学和实验中，对实验教学的形式和内容进行了有力的改革，从而提高课堂教学的效率。
本文将Matlab的应用于教学课程“自动控制原理”，为了提高学生理解课程内容利用了其强大的数值计算和绘图功能以及抽象类的具体内容，从而提高教学效果。
关键词:自动控制原理；Matlab；教学改革引言“自动控制原理”自动化是最重要的基础课程，控制系统建模本课程内容包括基础理论和相关技术以及系统分析和系统设计。
它的特点是抽象的概念，大量的数学内容和复杂的计算，这使学生难以理解。
因此，需要在教学内容和教学方法上对课程进行更新。
MATLAB语言是一种科学计算语言，集成了强大的功能，例如数值计算、符号运算和图形处理，适用于工程应用各个领域的分析，设计和复杂计算，易于学习和使用，并且不需要用户具备高级技能。
数学知识和编程技能已成为大学教学和科学研究中最常用的工具，掌握此工具将大大提高课程教学，解决问题的作业和分析研究的效率。
一、MATLAB软件及其特点MATLAB编程语言是1980年代美国公司Mathewrks推出的一种数值分析软件，它也是世界上最好的数值计算软件，它具有开放的环境，强大的矩阵运算、图形渲染、数据处理、各种工具箱以及类似“草稿纸”的工作区。
在欧美大学中，MATLAB编程语言已成为自动控制课程的基础教学工具。
MATLAB软件具有以下优点:（一）强大而广泛的应用Matlab语言矩阵为基本单位，可以用于矩阵操作，操作复杂，几乎可以实现所有科学和工程运算与MATLAB，这些操作用于各种行业，例如自动控制、语言处理、图像信号处理以及建筑、航空航天和计算机技术。
在极其广泛的应用中，MATLAB在科学和工程技术的各个领域中发挥着越来越重要的作用。
（二）语言简洁高效，编程效率高MATLAB编程语言是高度集成的，简洁的语言。
MATLAB在自控原理中的应用概述MATLAB是一种高度集成的数值计算环境和编程语言，广泛用于科学计算、数据分析和工程设计等领域。
在自控原理中，MATLAB具有广泛的应用，可以用于系统建模、控制器设计、性能评估等方面。
本文将介绍MATLAB在自控原理中的主要应用。
系统建模•MATLAB提供了丰富的工具和函数用于系统建模，包括线性时不变系统、非线性系统、离散系统等。
可以通过使用这些工具对自控系统进行数学建模，从而实现对系统性能的分析和优化。
•MATLAB中的System Identification Toolbox可以根据已知的输入输出数据对系统进行辨识，从而获得系统的数学模型。
这个模型可以用于系统控制器设计和性能评估。
控制器设计•MATLAB提供了多种控制器设计工具，如PID Control Toolbox、State-Space Control Toolbox等。
这些工具可以根据系统模型、性能要求和控制策略，自动设计出合适的控制器。
•PID Control Toolbox可以根据系统的动态响应要求，自动生成PID 控制器的参数，并进行性能评估和优化。
•State-Space Control Toolbox可以利用系统的状态空间模型，设计出满足系统性能要求的状态反馈控制器和观测器。
性能评估•MATLAB提供了多种性能评估工具和函数，用于分析和评估系统的性能。
这些工具可以评估系统的稳定性、鲁棒性、饱和度、频率响应等性能指标。
•通过使用MATLAB中的频域分析工具，可以分析系统的频率响应和频率特性，从而判断系统是否满足设计要求。
•通过使用MATLAB中的时域分析工具，可以分析系统的动态响应和稳定性。
控制系统仿真•MATLAB是非常强大的仿真工具，可以用于控制系统的仿真分析。
可以通过在MATLAB中构建系统模型和控制器模型，进行闭环仿真，评估系统的控制效果和性能。
•MATLAB提供了多种仿真工具箱，如Simulink、Control System Toolbox等。
Matlab在自动控制原理实验中的应用结硕;韩光胜【摘要】For the lab hours of Automatic Control Theory experiments, this paper suggests using the powerful control system toolbox of Matlab to develop a simulation software for doing simulated automatic control experiments. Actual application results demonstrate that not only existing mistakes in analog experiments can be found by students, and the ability to analyze and solve problems can be improved, but also learning interests are enhanced, and the foundation after relevant research work can be laid by means of the contrast analysis of simulation and analog experiment results.%针对自动控制原理实验课时,分析了Matlab语言的特点及其功能强大的控制系统工具箱在自动控制领域的应用.提出了用该语言编制交互性能良好的模拟软件用来进行自动控制实验.实际应用结果表明,通过仿真与模拟实验结果的对比分析,不仅可以让学生发现模拟实验中存在的错误,锻炼学生分析、解决问题的能力,而且增强了学生的学习兴趣,为以后从事相关研究工作打下了基础.【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2012(029)002【总页数】4页(P95-97,108)【关键词】自动控制原理实验;Matlab;仿真【作者】结硕;韩光胜【作者单位】北京工业大学耿丹学院信息工程系,北京 101301;北京工业大学耿丹学院信息工程系,北京 101301【正文语种】中文【中图分类】TP273;G434Abstract：For the lab hours of Automatic Control Theory experiments，this paper suggests using the powerful control system toolbox of Matlab to develop a simulation software for doing simulated automatic control experiments.Actual application results demonstrate that not only existing mistakes in analog experiments can be found by students，and the ability to analyze and solve problems can be improved，but also learning interests are enhanced，and the foundation after relevant research work can be laid by means of the contrast analysis of simulation and analog experiment results.Key words：Automatic Control Theory experiments；Matlab；simulation 传统的自动控制原理实验一般采用自控实验箱，在实验箱面板上连接相应的典型环节，通过示波器观察系统的响应曲线。
自动控制理论实验报告一、实验名称MATLAB在自动控制理论中的应用二、实验目的熟悉并掌握MATLAB在自动控制理论中的数学计算和绘图功能、simulink仿真功能等。
三、实验内容（所有）1、传递函数的描述法2、自动控制系统结构框图的模型表示3、线性系统的时域分析4、线性系统的频域分析5、线性系统的根轨迹分析6、状态空间描述法四、实验步骤（部分）【实验一】实验目的：观察二阶振荡环节中，参数ζ和Wn分别变化时对输出波形的影响。
实验内容：二阶标准传递函数：（1）令Wn不变，ζ取不同的值。
（0<ζ<1）练习：令Wn=5不变，ζ等于0.2和0.707结论：Wn相同，ζ等于0.707时响应更快（2）令ζ不变，Wn取不同的值。
练习：令ζ=0.25，Wn等于1和10结论：ζ相同，Wn越大响应越快实验代码：>> num=[25];>> den=[1,2,25];>> G1=tf(num,den);>> den2=[1,7.07,25];>> G2=tf(num,den2);>> num2=[1];>> den3=[1,0.5,1];>> den4=[1,5,100];>> G3=tf(num2,den3);>> num3=[100];>> G4=tf(num3,den4);>> step(G1);hold on>> step(G2);hold on>> step(G3);hold on>> step(G4);hold on实验结果：ζ=0.2ζ=0.707Wn=10Wn=1实验结论：我们可以很直观的看到，当Wn相同，ζ等于0.707时比ζ等于0.2时响应更快；ζ相同，Wn越大响应越快。
但是因为ζ范围是0到1，而ζ的取值到底是怎么样影响系统输出的，是否是越大响应越快，就可以通过下面一个实验来进行验证。
MATLAB在自动控制原理中的应用自动控制原理是控制理论的基础，用于描述和分析各种控制系统的设计和性能。
MATLAB是一种流行的数值计算软件，也是自动控制原理中广泛应用的工具。
MATLAB提供了丰富的功能和库，可以用于建模、仿真、分析和设计各种控制系统。
下面是MATLAB在自动控制原理中的几个常见应用：1. 系统建模和仿真：MATLAB提供了用于建立系统数学模型的工具包，比如Control System Toolbox。
使用这些工具，可以通过数学表达式或传递函数来描述系统的物理特性，然后可以使用模型进行仿真和分析。
仿真可以帮助理解系统的行为，优化系统的控制策略。
2. 控制器设计和分析：MATLAB提供了用于控制器设计和分析的工具包，例如Control System Toolbox和Simulink。
这些工具可以用于设计各种类型的控制器，如比例控制器、积分控制器、微分控制器和PID控制器。
还可以使用频域分析工具来评估控制系统的稳定性和性能。
3.系统优化：MATLAB提供了强大的优化工具箱，可以在给定性能指标的条件下，自动优化控制系统的参数。
可以使用这些工具来优化控制器的参数以达到要求的性能。
同时，还可以将优化问题建模为约束优化问题，并使用优化算法来解决这些问题。
4. 系统辨识：在实际控制应用中，经常需要从实验数据中估计系统的数学模型。
MATLAB提供了用于系统辨识的工具箱，如System Identification Toolbox。
可以使用这些工具来拟合实验数据，并估计系统的参数和结构。
5. 多体动力学仿真：MATLAB还提供了用于多体动力学仿真的工具包，如SimMechanics。
这些工具可以用于建立机械系统的动力学模型，并对系统进行仿真分析。
这在机械、航空航天和机器人等领域的控制系统设计中非常有用。
6. 状态估计和观测器设计：在控制系统中，通常需要估计无法直接测量的状态变量。
MATLAB提供了用于状态估计的工具包，如Kalmanfilter、Luenberger observer等。
matlab仿真在自动控制原理课程教学中的应用
Matlab是一种强大的数学软件，它可以用于自动控制原理的仿真和模拟实验。
在自动控制
原理课程教学中，Matlab的应用主要有以下几个方面：
1. 系统建模与仿真：利用Matlab可以方便地建立系统的数学模型，并进行仿真。
通过仿真，可以直观地观察系统的动态特性，从而深入理解自动控制原理的基本概念和方法。
2. 控制算法设计与验证：Matlab提供了丰富的控制算法设计工具箱，可以用于设计各种
控制器，如PID控制器、根轨迹设计、频率响应法等。
通过仿真验证，可以评估控制器的性能，并进行参数优化。
3. 实验数据分析：在实验中，可以采集系统的输入输出数据，利用Matlab进行数据分析和处理，如频域分析、时域分析、系统辨识等。
通过数据分析，可以更深入地了解系统的特性和性能。
4. 课程演示与展示：Matlab可以用于制作课程演示和展示，如动态仿真、控制算法演示等。
通过演示和展示，可以生动形象地展示自动控制原理的基本概念和方法，提高学生的学习兴趣和理解能力。
综上所述，Matlab在自动控制原理课程教学中具有重要的应用价值，可以帮助学生更深入地理解自动控制原理的基本概念和方法。
