自動控制原理范文

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《自動控制原理》考試大綱

一、基本要求

掌握控制系統分析和綜合基本方法，

主要內容有傳遞函數和信號流圖等數學模型的建立；

系

統穩定性、

動態性能、

穩態性能的時域分析；

頻域法和根軌跡法；

系統串聯校正的設計方法；

線性離散系統的分析；

系統狀態空間建模及其求解；

系統可控性和可觀測性；

線性定常系統

狀態反饋及觀測器設計；李雅普諾夫穩定性理論。

二、考試范圍

．

自動控制的一般概念

（）自動控制系統的定義、構成；

（）自動控制系統的基本控制方式；自動控制系統的分類；

（）對控制系統的基本要求；

．

控制系統的數學模型

（）傳遞函數的定義、性質及典型環節的傳遞函數；

（）信號流圖的組成、建立及梅森增益公式；

（）閉環系統的傳遞函數：輸入量及擾動量作用下的傳遞函數、誤差傳遞函數。

．線性系統的時域分析法

（）一階系統動態性能；

（）二階系統的動態性能：典型二階系統的數學模型、欠阻尼階躍響應、二階系統的動態性能指標、二階系統性能的改善；

（）控制系統的穩定性分析及代數穩定判據；

（）控制系統的穩態性能分析：

穩態誤差的定義、

系統類型、

穩態誤差分析與靜態誤差系數。．

線性系統的根軌跡法

（）根軌跡方程：幅值條件和相角條件；

（）度根軌跡作圖的一般規則、典型的零、極點分布及其相應的根軌跡；

（）系統性能分析：穩定性分析、增加零、極點對根軌跡的影響、利用主導極點估計系統的性能指標；

．

線性系統的頻域分析法

（）頻率特性；

（）典型環節與開環系統的頻率特性；

（）奈奎斯特穩定判據及應用；

（）穩定裕度；

．

線性系統的校正法

（）校正裝置：超前、滯后網絡的特性；

（）系統校正的頻率響應法：超前、滯后校正設計；

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/

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（）控制器：控制法則及對系統性能的影響。

.

線性離散系統的分析

()

信號采樣和保持；

()

離散系統數學模型：差分方程和脈沖傳遞函數；

()

離散系統穩定性及穩定性判據；

()

離散系統穩態誤差及動態性能分析；

.

線性系統的狀態空間分析與綜合

()

線性系統的狀態空間描述：建立、轉換、標準型；線性系統的運動分析狀態方程的解；

()

線性系統的可控性和可觀測性；

()

線性定常系統的線性變換；

()

線性定常系統的狀態反饋極點配置和全維狀態觀測器設計；

()

李雅普諾夫穩定性分析。

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關鍵詞：自動控制原理；獨立學院；范例教學；結構主義教學

作者簡介：周戰馨（1970-），女，吉林省吉林市人，常州大學信息學院，副教授；張繼（1981-），男，江蘇常州人，常州大學信息學院，講師。（江蘇 常州 213016）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）19-0113-02

在多年的教學實踐中，我們發現獨立學院電氣自動化專業的學生來源復雜，學習能力參差不齊，學習目標各種各樣，這些都給“自動控制原理”教學帶來很大困難。同時，進入21世紀以來，科學技術在不斷加速中發展，尤其在電子、電氣和材料等領域，新材料和新技術層出不窮。但是目前高等院校開設的“自動控制原理”作為一門專業基礎理論課，內容比較抽象，更多強調培養學生動手解算能力，與實際應用有些脫節。

為了達到獨立學院培養目標，通過系統分析實際教學情況，查閱并參考近現代教學理論[1]和各個學校開展的教學改革，[2，3]在實際教學實踐中進行了有益探討。

一、問題分析

第一，獨立學院電氣自動化專業生源復雜，學習能力偏差和學習目標不明確。由于筆者所在常州大學地處江蘇省，經濟發展在國內處于前列，尤其在電子、電氣和能源新材料等方面。地方經濟逐步轉向科技型，對應用人才需求旺盛。因此從政府、企業到普通群眾無不認識到掌握技術、具有技能的重要性。隨著國家對高等教育改革的進一步推進，給更多的青年人帶來機會，面對高就業率，電氣自動化專業得到了更廣泛的關注。這樣就形成了學生中既有理科背景的，還有少部分文科背景的；既有高考偶然因素失利的，也有勉強達到錄取分數線的；既有喜愛電氣自動化專業的，更有不少是為了就業和父母期望而來的。在教學中明確體現了不同生源學生的學習能力差別。前兩年的大學學習過程，只能基本上幫助大部分人適應大學教學節奏，在學習方法和學習效率方面基本沒有改進。反而不斷增加了他們的學業壓力，引發一部分人消極情緒，對自身的改進沒有了信心。第三年進入專業課學習，少部分對知識掌握好的學生，由于外界不斷對他們的肯定，學習積極性得到提高，主動與老師互動；大部分學生對專業知識剛接觸，對于抽象的理論知識不知道有何用處，對自身能力的潛力認識不夠，滿足于考試通過，拿到學分。

第二，獨立學院培養目標不斷變化，受母體高校影響大。自獨立學院開設之初，其培養目標隨著社會經濟技術的發展和人們對其在高等教育中作用認識的加深，在不斷發展變化。從最初的對主流學校的有益補充，發展到主要培養技能型和技術型人才；在師資和教學設施建設上，基本都是參照所母體學校進行。為了保證教學質量和教學進度，很多師資都是從母體學校借調。所以保證了對人才的培養質量，滿足了學生和家長對學校的期望，卻加重了任課教師的教學強度。任課教師要面向不同基礎，不同理解能力和學習能力的學生。

第三，由于我國近些年經濟持續高速發展，對技術人才需求隨之增長。更多的企業為了自身的可持續發展，引進先進技術設備；越來越多的技術型小企業獲得發展空間；社會上不斷涌現新專業方向、新技術應用領域。高中畢業生不能夠通過短時培訓勝任崗位；普通高等學校的畢業生缺少實際動手能力，對工作崗位待遇期望值高。獨立學院通過十年多的不斷完善，已逐步注重市場調研，充分結合母體學校的專業特長，加強學生的應用能力的培訓，但是目前仍不能滿足社會需求。

二、實踐探討

面對以上實際情況，從掌握基本知識和應用角度出發，在以下三方面做了教學改進。

1.實施“缺漏”教學，讓學生掌握最基本的概念和原理

心理學家M·瓦根金提出的范例教學非常適用于獨立學院“自動控制原理”的教學。他強調讓學生掌握課程中最基礎、最本質的因素。因此根據電氣自動化學生的學習背景，我們精選出最典型、最有代表性的概念和原理作為授課重點，并增加相應的授課學時。對于負反饋系統的理解，增加實際系統分析，對同一個電機速度控制系統在不同情況下作用進行分析。首先進行定性分析，然后再進行定量分析；對于控制系統穩定性，打破章節限制，集中講解其重要性和分析手段；對于控制系統設計部分，側重于講解思路，只把PID控制器作為重要知識點。

實踐證明，學生認為學習節奏比較適中，對概念的理解比較清晰，減少了為了達到教學進度使得部分學生跟不上的現象；教師對設計部分內容降低要求，比較符合獨立學院電氣自動化專業學生的實際學習背景，減弱了母體高校教學要求的影響。

2.應用“結構主義”教學方法

作為三大教學論之一，結構主義教學論強調心理學與教育學的緊密結合。要學習和掌握學科的基本結構；要組織螺旋式課程；要廣泛使用發現方法。將原發現過程再編制，應用于教學中學生學習過程。發展學生的歸納、推理等思維能力。目的是讓學生形成遷移能力，這種理論特別適用于“自動控制原理”的教學。以電機速度控制系統為重點，設置多種工作狀態。首先演示控制系統工作狀態，讓學生通過測試設備發現問題，引導學生分析可能的原因，提供相應的理論分析方法，共同分析現象所體現的控制系統原理。因此提高了學生參與的積極性，也增強了他們自身理解問題和解決問題的自信心。由于對電機速度控制系統的分析對控制系統三個指標——穩定性、快速性和準確性完全覆蓋，使學生對控制系統原理的基本結構有清晰的理解。許多學生不再和教師探討“自動控制原理”課程對以后工作有什么作用，與自身生活有什么聯系，傳遞函數表示什么，畫根軌跡作用是什么等等。對學習能力的培養，使學生自主學習能力加強，能夠縮短適應工作崗位的進程。

3.提高MATLAB和網絡的使用率

MATLAB是控制系統分析設計的一個平臺。[4]對于喜愛虛擬世界的年輕人而言，許多實際控制系統的理解難度比較大，但在虛擬世界，可以出錯，可以隨時修改，同時不受元件成本、安裝要求的限制。教師在教學過程中，利用MATLAB即時演示控制系統工作現象。在入門階段，教師充分考慮到學生英語基礎低面導致獨立閱讀幫助文件進展慢的情況，專門安排時間引領學生掌握基本仿真命令。

由于智能手機的普遍使用，幾乎本專業所有學生都能隨時查詢信息。通過引導學生查詢與“自動控制原理”課程相關內容，使學生學會正確搜索學術信息，對信息的使用要先進行基本判斷。如對于利用SIMULINK進行仿真驗證，許多學生直接使用網絡上提供的模型。但在仿真時經常出錯。此時教師幫助學生分析出錯原因，通常是在學生提出三個修改后仍不成功的情況下。由此鼓勵了一部分動手能力強學生的學習興趣。

三、總結與展望

通過采用新的教學理念，緊密結合懷德獨立學院電氣自動化專業“自動控制原理”實際教學情況，實施了淡化理論知識推導，注重理論知識框架的掌握；減少對計算的要求，提高對應用軟件的運用能力；降低對控制系統設計的學習要求，加強典型實際系統分析能力和對基本概念的理解。

分析當前教學效果，可以得出學生的自信心得到提高，教師的教學能力得到提升，擺脫了以前學生面對理論知識學習沒興趣、沒信心，教師面對學生只能放慢教節奏，全面降低教學要求，課堂很少互動的被動局面。

當然，要使“自動控制原理”課程的教學效果進一步提高，還需要對教師的應用能力進行培訓，提供機會讓他們走出學校到企業去，了解技術應用新動向、新需求。學生更需要走出學校，提高對本門課程在實際系統中重要性的認識。這些均是我們以后需要做的工作，希望電氣自動化專業的畢業生能很好地符合社會需求，更快地適應崗位。

參考文獻：

[1]巨瑛梅，劉旭東.當代國外教學理論[M].北京：教育科學出版社，2004：21-163.

[2]謝志剛，齊曉慧，王永川.自動控制原理教學中的方法論探討[J].中國教育技術裝備，2009，（12）：31-32.

[3]宮二玲，謝紅衛，張紀陽.融入實踐環節，提高學習興趣——《自

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關鍵詞：自動控制原理；教學改革；知識線索；創新

作者簡介：陳曉燕（1979-），女，四川自貢人，四川農業大學農業信息與工程技術學院，講師；龐濤（1977-），男，四川射洪人，四川農業大學農業信息與工程技術學院，講師。（四川 雅安 625014）

基金項目：本文系“四川農業大學2011年校級教學改革項目”（項目編號：X2011036）的研究成果。

中圖分類號：G642     文獻標識碼：A     文章編號：1007-0079（2012）01-0016-03

“自動控制原理”是高校自動化專業的專業基礎課，是電氣信息類、機械類、環境工程類等專業的學科基礎課。在整個專業知識體系中占據非常重要的地位，具有承上啟下的作用。通過對控制理論知識的學習，使學生掌握分析、測試和設計自動控制系統的基本方法，培養學生對控制系統的工程實踐能力和創新能力，為后續如“計算機控制技術”、“過程控制系統”、“電氣控制”、“先進控制系統”等專業課程提供理論基礎和分析設計方法。該課程內容涉及數學、物理、電子、電機、機械等多學科領域，還與實際工程系統的控制密切相關[1]，具有內容豐富、理論性強、涉及知識面廣、更新發展快等特點[2]，有一定的深度和學習難度。學生在學習過程中容易感到枯燥乏味，產生厭學情緒。教師在教授過程中也容易過分強調理論知識的數學推導，忽視工程應用。為了促進教學質量的提高，對該課程進行教學改革是十分必要的。

一、優化課程內容，把握知識線索

1.重點突出

隨著專業口徑的不斷擴寬，各門課程的教學內容也不斷膨脹和加深，自動控制原理課程也面臨著內容多和課時少的矛盾，所以要精選課程內容，突出重點[3]。下面將每章中的一些重點分別加以闡述：

“控制系統基本概念”重點是自動控制系統的基本工作原理，自動控制系統的結構及特點、組成和基本環節，自動控制系統的性能指標，自動控制系統的類型。

“控制系統的數學模型”重點是動態微分方程的建立，傳遞函數求解，系統動態結構圖變換。

“線性連續系統的時域分析”重點是自動控制系統的暫態過程分析，代數穩定判據，穩態誤差求解，根軌跡的繪制，用根軌跡法分析系統的性能。

“線性連續系統的頻域分析”重點是頻率特性的繪制，頻率特性與系統時域指標之間的關系，頻域指標，Nyquist判據。

“線性系統的校正”重點是系統設計的思想，串聯校正的特性及作用，校正方法。

“非線性系統分析”重點是非線性系統動態過程的特點，描述函數法，改善非線性系統性能的措施及非線性特性的利用，相平面法。

“線性離散系統”重點是離散時間函數的數學表達式及采樣定理，線性常系數差分方程與脈沖傳遞函數，采樣控制系統的時域分析，采樣控制系統的頻域分析與數字校正。

2.線索清晰

自動控制原理課程理論性強、內容多、涉及大量數學知識。同學們在學習過程中常常不清楚各個知識點之間的相互聯系，以及各個章節之間的因果關系，總感覺“不識廬山真面目”，學習起來很費力。所以在教學過程中，教師應當理清線索。就自動控制原理本身的內在體系而言，是按照“系統建模、系統分析、系統綜合”這個主線展開。系統建模是系統分析和系統綜合的基礎，數學模型有時域模型、復域模型和頻域模型。系統分析是圍繞穩定性、穩態性能和瞬態性能展開，系統綜合與校正用到根軌跡法和頻域法。另外以方法為線索，可以分為“時域法、根軌跡法和頻域法”。如果以系統為線索，可以分為“線性系統、離散系統、非線性系統”。這幾條線索相互交叉，教師在講授知識點時應抓住這幾條線索，讓同學們先從宏觀上知道各個知識板塊章節間的因果關系，再從微觀上來具體消化每個知識點，這樣學習起來就更輕松。

二、結合工程實際，培養創新思維

自動控制原理課程不僅理論性強，而且工程實踐性也強。在原理的講授中要注重培養學生的工程思維習慣，不僅可以使學生更好理解理論知識，也可以培養學生的創新意思。例如在講授反饋原理時，可以結合生活當中的空調溫度控制系統工作原理進行講解。并注意引導學生自己聯系生活中的事例結合控制原理的知識進行分析，激發學生的學習興趣。在引用工程實例的同時還應注意結合專業學科方向，針對我校是農業院校的特點，可以對溫室大棚的控制系統工作原理進行介紹。另外，還應注意引用自動化領域的一些前沿技術。例如哈勃太空望遠鏡指向系統能在644km處將視野聚集在一枚硬幣上，望遠鏡的偏差在一次太空任務中得到了大規模的校正。根據這個工程背景，讓學生對哈勃太空望遠鏡指向系統建立數學模型，并按照設計要求進行系統分析。對興趣濃厚的學生，還可啟發如果在控制結構中，引入串聯PI控制器，可否進一步優化系統性能。通過這些示例的講解，使學生對自動控制原理實際應用有更深刻的認識。

三、豐富教學手段，提高教學效果

1.引入多媒體輔助教學

傳統的板書式教學，教師需花費大量的時間在公式推導和曲線繪制上，課堂氣氛枯燥而沉悶。隨著計算機的普及，采用多媒體輔助授課方式可以在繪圖的準確性和快速性方面有較大提高，從而提高教學效率，另外有助于學生對抽象知識的理解[4]。但是，任何事物都有兩面性，多媒體教學也存在教學內容大，學生思維速度跟不上等弊端。因此，教師在講授中可以以多媒體教學為主，對于一些重點難點適當的輔以板書，放慢速度。同時要注重師生之間的課堂互動，充分發揮兩種教學手段的優點，提高教學效果。

2.加強MATLAB的應用

MATLAB軟件功能強大，具有先進的視覺化功能，是一種完善的科學計算語言。通過MATLAB仿真教學，使學生對新知識印象深刻。特別是研究系統中某個參數或環節變化時對系統的影響，可以很直觀的通過MATLAB展現出來。例如若已知某系統的開環傳遞函數為：，求當K分別取1300和5200時，試繪制系統的奈奎斯特圖，并判斷系統的穩定性。

通過用MATLAB編程，可繪制出系統的奈奎斯特圖如下：

當K=1300，系統穩定，對應的階躍響應是衰減振蕩；K=5200，系統為臨界穩定，其階躍響應則表現為等幅振蕩。

筆者編寫了《MATLAB程序設計及其應用》教材，充分發揮MATLAB在自動控制原理教學中的應用，取得了滿意的教學效果。

3.結合網絡教學

網絡教學是課堂教學的延伸。通過網絡教學，學生可以加深對課堂教學內容的理解，擴大知識面，并提高學生分析問題、解決問題的能力。充分發揮網絡資源的優勢，在增加知識面、提高效率、因材施教等方面對課堂教學起到了很好地補充作用，有利于充分發揮學生的主觀能動性[5]。

四、改進實驗教學，強化動手能力

實驗教學不僅是對理論知識的驗證，更重要的是培養學生動手能力、基本科研能力和創新能力的重要環節。

1.仿真實驗和物理實驗相結合

傳統的自動控制原理實驗課程為物理實驗，利用實驗箱，將相應的有源網絡模塊連接成典型環節或系統，再施加典型信號，通過示波器觀察實驗結果。學生在實驗中對于所調節的參數和系統性能的關系難以真正理解，并且在使用中也容易損壞元件，而且元件的非線性，也會影響實驗結果[6]。利用MATLAB軟件的SIMULINK仿真平臺作仿真實驗，能很好解決物理實驗的不足，并加深對課程知識的理解，還可以將實驗延伸到課外進行。

2.驗證實驗和設計實驗相結合

傳統的實驗一般都是驗證實驗，教師給出實驗目標和要求，學生根據實驗步驟來進行實驗，這類實驗對于知識點的學習和理解是有必要的，但是按部就班的實驗過程不能培養學生的創新思維。因此，在課程設計的形式上可開展一些設計性的實驗。教師給出設計題目，學生進行方案的設計、選擇、實施，從而培養學生的創新熱情。

3.課堂實驗和開放實驗相結合

課堂實驗的時間是有限的，應充分利用課外時間展開開放性實驗。開放性實驗應結合工程應用背景和教師的科研項目，以鍛煉學生的科研能力。

五、結語

自動控制原理作為理論與實踐并重的一門課程，教學過程中有相當難度。本文結合自動控制原理的教學實踐，按照“優化課程內容、培養創新思維、豐富教學手段、強化動手能力”的思想，闡述了在教學過程中教師應注意的一些問題。總之，教學改革是一個長期的過程，要在教學中不斷總結和改進，以適應時代的發展。

參考文獻：

[1]謝莉萍,陳瑋,章云.精品課程“自動控制原理”的教學改革與實踐[J].廣東工業大學學報(社會科學版),2008,(2):31-32.

[2]袁新娣,黃曉軍,謝曉春.《自動控制原理》教學改革探索與實踐[J].江西教育學院學報(綜合),2006,(6):30-32 .

[3]李中琴,張燁.自動控制原理課程教學改革研究[J].高等教育與學術研究,2010,(1):80-82.

[4]孟令雅.自動控制理論教學漫談[J].電氣電子教學學報,2006,(1):48-50.

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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.

關鍵詞:自動控制原理課程;考試改革;方案

Key words: automatic control theory;examination reform;program

中圖分類號:G42文獻標識碼:A文章編號:1006-4311(2010)15-0177-01

1自動控制原理課程考試改革的目的和意義

自動控制原理作為自動化及相關專業的一門重要的專業基礎課,是一門理論性很強的課程。同時,該門課所研究的領域也是學生從未接觸過的知識。為了使得學生能夠在學好理論的同時將其運用到實際中,激發興趣,強調過程考核,并且提高考試成績和及格率,突出教學重點,對這門課實施考試改革以配合教學改革[1]。通過考試改革可以帶動教學改革進程,構建融會貫通、緊密配合、有機聯系的課程體系。

2自動控制原理課程考試改革的內容

2.1 課程內容的整合與優化。為了培養學生的學習能力和實踐能力,同時檢查教學效果,在一些章節后組織編排綜合型的題目,讓學生以小論文的形式提交,將其成績記錄到期末總成績的平時成績中。這門課的教學內容可以分成兩大部分內容的研究:前三章為控制系統的時域分析,偏重經典理論的研究;后兩章為控制系統的頻域分析,偏重工程實際應用。針對這樣的內容特點,安排兩次大作業,讓學生對一個生產生活中的實例從時域分析和頻域分析方法入手分析系統的穩態過程和暫態過程。針對這樣的能力考核,在平時教學中,從基本概念、基本分析方法入手,結合生產和生活中的實例,以時域分析方法為主線,時域分析和頻域分析并進,利用直觀的物理概念,使學生充分理解系統參數與系統指標之間的內在聯系,由淺入深地引導學生理解和掌握古典控制理論的精髓。把知識能力的考核放在首位。

2.2 由考試改革決定的教學方法和手段的改進措施。實踐環節中改變以往由教師命題的一貫做法,在學期末,安排一次綜合性實驗,題目學生可自選,也可從教師提供的試題庫中抽題,所選題目需具有一定的綜合性,采取自愿參加考試的方式。該部分的成績由五個等級構成,即不及格不加分,及格、中、良好、優秀會分別在在期末總成績中加相應的分數,建立一個具體的評價指標體系。這樣的考核方式可以給一部分在及格線邊緣的學生一次到達及格線的機會,給一部分要提高成績績點的學生一次提高總成績的機會,給一部分爭取獎學金的學生一次到達優秀成績的機會,給分布在每一個分數段的學生一次積極改進的機會,激發他們的學習熱情,同時能夠有效的提高及格率。

2.3 知識點的考核。筆試考試由全閉卷改為半開卷:改變原有的純粹的理論考試,把筆試試卷分成兩部分:試卷一,基本理論知識的考核,閉卷,占試卷成績的50%;試卷二,綜合能力運用的考核,開卷,可以帶查閱過的相關資料占試卷成績的50%?；纠碚撝R的考核包括:①基本知識模塊;②數學模型的建立與求解模塊;③線性連續系統的時域分析模塊;④線性連續系統的頻域分析與設計。

3 考試改革的進程安排

3.1 進行自動控制原理課程考試改革的調研。

3.2 制定出自動控制原理課程綜合應用能力考核的評價指標體系。

3.3 編制自動控制原理課程綜合性實驗試題庫。

3.4 在2007級自動控制原理期末考試中進行考試改革方案的試驗。

3.5 進行課程考試改革方案實施的初步總結,寫出課程考試改革方案實施的初步總結報告。

3.6 修改課程綜合應用能力考核的評價標準。

3.7 修改自動控制原理課程綜合性實驗試題庫。

3.8 撰寫自動控制原理課程考試改革的探索的論文。

3.9 在2008級自動控制原理教學中實施課程考試改革方案。

3.10 進行自動控制原理課程考試改革方案實施的總結,寫出課程考試改革方案實施的總結報告。

3.11 寫出自動控制原理課程考試改革方案的結題報告。

4自動控制原理課程考試改革的預期成果

4.1 學生學習的主動性得到增強,通過設置選做實驗,學生學習會更加主動,鼓勵學生提高綜合知識運用能力,不再像以前期末考試前幾天死記硬背,造成學的好不如背的好的怪現象。

4.2 學生的創造性思維能力得到了培養,通過完成大作業網上查閱資料的能力明顯提高,大量查閱資料后會超出教師布置的題目范圍,大部分學生會對教師的題目給出多種分析結果,甚至會超出所學的范圍,突破了思維定勢,即教師告訴什么就知道什么的現象。

4.3 學生撰寫科技論文的能力得到提高,為以后做畢業設計撰寫畢業論文打好基礎。

4.4 學生獨立分析問題的能力將得到提高。通過采取半開卷的模式,學生不但需要掌握基本理論,還要學會更好的利用基本理論解決實際問題,強調提高學生的分析,設計能力,及尋求一題多解的發散性思維,強調工程應用背景,立意考查靈活運用所學知識解決實際問題和創新思維的能力,改善了以往學生認為“學了也沒有用”的想法。

4.5 制定出課程考核能力與技能的評價指標體系。

4.6 撰寫課程考試改革實施效果的調研報告。

4.7 撰寫教改論文:自動控制原理課程考試改革的探索。

4.8 提交自動控制原理課程考試改革的結題報告。

參考文獻:

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關鍵詞：自動控制原理 課程改革 MATLAB

1前言

自動控制原理是電氣專業的一門主干課程。該課程一方面理論性強，在培養學生抽象思維能力和邏輯能力上起著重要的作用，但是內容多學時少、課堂信息量大，使學生對教學內容難以及時進行有效地消化，不利于學生創新能力的培養。[1]另一方面實踐性綜合性比較強。自動控制原理內容覆蓋面比較廣，要求學生有比較高的數學計算能力，電氣類的工科學生不能只停留在數學層面上理解，而是解決工程實際問題能力的培養。如何在有限的學時內讓學生熟練掌握控制理論的基礎知識，加強創新能力和工程實踐能力的培養，是課程建設過程中的關鍵。因此，結合教學中存在的問題，在教學內容、教學模式等方面提出了幾點建議。

2理論課改革

2.1教學方法改革

對于這門難度很高的課程，教學時應注重概念，弱化計算。只有掌握了基本的概念，有了充分的感性認識，學生才有進一步自我深化的可能。而同時感性認識獲得的方法莫過于實際的例子。例如：在第一章基本概念中講解自動控制系統的定義和組成的時候，首先需讓同學們明白系統的控制過程，因此我分別舉了一個人工水位控制系統和自動水位控制系統來對比講解。由于比較貼近生活，同學們對于這個人工系統的自動運行原理基本都能自發自然的理解，所以稍加引導，就很容易理解控制對象，被控量，給定值，反饋元件，執行機構等概念。

2.2教學內容的改革

自動控制原理課程是理論性較強、概念深的課程，學生普遍反映難學。我們將自動控制原理內容系統化、模塊化、最優化，以解決課時少、內容多的矛盾。我們按其理論涉及領域，分為經典線性理論、非線性理論、采樣系統和現代控制理論四個模塊；按其研究的基本問題，將其分為系統的數學模型、系統的性能分析和系統的綜合設計三個基本問題；按其課程的本質而言，直接分為控制系統的特性分析方法和控制器的設計理念。例如，采用了以建立基本概念和掌握基本技能夠用為度的知識論述深度原則。基于現代計算機輔助分析設計技術大量應用的現狀，減低了系統人工分析部分的比例和重心，節約課時，提高授課效果。

2.3強化啟發式教學，搞好創新教育

傳統的教學模式，一般都是按照教材的自然順序按部就班地進行講解，并且課堂授課中，教師需在黑板上做大量的數學分析推導，畫大量的曲線，因此課堂教學往往是索然無味的公式推導、定理證明和手工繪圖。在教學中，要改變多年來較為死板的授課方式，充分利用現代化教學手段和生動活潑的教學方式，使課堂教學圖文并茂、生動活潑，發揮和調動學生的學習積極性，采用啟發式教學，由淺入深。在課堂教學中，通過布置思考題和預習的形式，要求學生課前充分準備，由學生上臺講述有關內容，既考察了學生學習的自覺性和理解能力，又鍛煉了學生的表述能力，同時，還加深了對知識的理解和記憶。為了避免教師在講臺上唱獨角戲，學生被動接受知識的局面的出現，應采用了討論課的形式，進行教學互動，使課堂教學生動活潑。為了在教學中充分發揮學生的主觀能動性，要培養學生的創新能力，我們一改傳統教學中只注重知識的傳授而忽視學生思維能力培養的教學方法，更注重在知識的傳授過程中來引導、啟發學生積極思維的啟發式教學方法，使得學生在獲取書本知識的同時，其思維能力也有很大的提高。教學過程中掌握好教學節奏，合理的留取學生思考的時間，就能真正的實現教與學的互動，充分激發學生的發散思維，調動學生學習的積極性。

2.4注重對學生進行系統化、工程化概念的強化

例如有意識地在教學別加強加深有關系統數學模型內容的講述，深入淺出地介紹多種機電、熱力、液力系統的數學模型的推導過程和結果，使學生能更多更分地了解到一些控制問題的實際工程背景。

2.5改革考核方式

為了使得學生能夠在學好理論的同時將其運用到實際中，激發興趣，強調過程考核，并且提高考試成績和及格率，突出教學重點，對這門課實施考試改革以配合教學改革[2]。通過考試改革可以帶動教學改革進程，構建融會貫通、緊密配合、有機聯系的課程體系。為了培養學生的學習能力和實踐能力，同時檢查教學效果，在一些章節后組織編排綜合型的題目，讓學生以小論文的形式提交，將其成績記錄到期末總成績的平時成績中。這門課的教學內容可以分成兩大部分內容的研究：前三章為控制系統的時域分析，偏重經典理論的研究；后兩章為控制系統的頻域分析，偏重工程實際應用。針對這樣的內容特點，安排兩次大作業，讓學生對一個生產生活中的實例從時域分析和頻域分析方法入手分析系統的穩態過程和暫態過程。大作業成績也記錄到期末總成績的平時成績中。最后卷面成績折合成60%，平時成績占40%。

3實驗課教學改革

3.1將MATLAB應用于虛擬實驗中

《自動控制原理》是電氣專業學生重要的專業基礎課，是后續專業課程的基礎。各高校對該課程實驗設置與投入都給予了高度重視。但是，其硬件實驗存在著實驗設備易損、實驗結果不穩定等問題，如何讓學生直觀、便捷地了解《自動控制原理》的基礎知識，準確、方便地從實驗結果中進行推理是實驗教學改革的一個重要問題。虛擬實驗是現代實驗教學的發展模式，它有效地補充和完善了傳統實驗，緩解了實驗設備不足和滯后等問題。近年來MATLAB在《自動控制原理》虛擬實驗中得到了廣泛的應用。MATLAB包含了進行控制系統分析與設計所必須的工具箱函數，可以分析連續系統，也可以分析離散系統，并可以進行極點配置控制器設計和最優控制系統設計等多項操作。現以連續系統中的時域分析法、頻域分析法及根軌跡分析法為例介紹。

基于MATLAB開發的虛擬實驗仿真系統，具有方便、直觀、便捷、不易損壞、操作簡單等優點。根據實驗要求，利用MATLAB軟件建立的虛擬實驗仿真系統，實現了人機交互，通過對相關參數的設置，成功地對控制系統進行仿真，便于學生對知識的理解，也為學生學習和實驗帶來便利，使學生能夠更為深刻地理解自動控制的基礎理論，達到很好的實驗效果。這種虛擬實驗系統有效地發揮了現有各種信息化教育資源的優勢，優化了資源配置，便于實現教育資源的廣泛共享。

3.2設立開放實驗室

采用設立開放實驗室，使學生在掌握基本實驗的基礎上，充分利用已有的實驗設備，增強動手能力。目前開放實驗室內容還在繼續完善中，已有包括多種電機控制、單容水箱模型、液位綜合實驗、機器手模型、簡單飛行器控制模型等實際系統的模型。學生們可以利用這些模型來檢驗和鞏固自己課堂中所學的系統分析以及系統設計的方法。

4、結束語

在自動控制原理課程建設過程中，這些建議極大地調動了學生學習自動控制原理的主動性，培養了學生的創新能力和工程實踐能力。雖然取得了比較好的教學效果，但仍需在今后的教學中作進一步的探索與改進。

參考文獻：

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關鍵詞：項目驅動教學；自動控制理論；工程實踐能力

作者簡介：任金霞（1970-），女，山西孝義人，江西理工大學電氣與自動化學院，副教授；王祖麟（1954-），男，江西南昌人，江西理工大學電氣與自動化學院，教授。（江西 贛州 341000）

基金項目：本文系江西省教育廳教學研究項目（項目編號：JXJG-11-6-16）、“基于‘3個緊密結合+全面素質教育’的自動化專業人才培養模式創新實驗區”（文件號：教高函[2009]27號）的研究成果。

中圖分類號：G624.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）28-0090-02

“自動控制原理”是自動化學科重要的專業基礎課，該課程內容結構緊密，概念抽象，計算繁雜，與工程實際聯系緊密，是學習后續專業課的重要基礎。長期以來，該課程采用“課堂講授+驗證性實驗”的教學方法，學生感到難學，而且學習后不知道如何應用控制理論解決實際問題。因此，探索項目驅動教學在該課程教學方法中的應用，對提高學生應用控制理論知識解決實際問題的能力和工程實踐能力具有現實意義。

一、項目驅動教學法

項目教學是圍繞項目而開展的教學活動，將學生解決問題的能力和社會責任感的培養融入項目過程中，讓學生積極地學習，自主地進行知識的建構。將所有需要學習和掌握的專業知識都圍繞項目這個核心展開，并與這個核心融合在一起，形成一個有機整體。項目過程分為學生組建團隊、教師引導、小組協作和公開答辯四個部分。組建團隊按照企業研發項目的模式，按照項目的內容和成員的特長進行分工，明確每個成員的職責和任務，通過項目小組團隊的學習，在團隊合作的環境下，使學生的自學能力、個人能力、人際交往能力、知識運用能力及開發能力得到全面鍛煉和提高。教師引導的作用主要是組織和督促，學生遇到困難時給與指導，給學生提出問題，驅動學生去探究，發揮學生的主體作用。團隊成員完成各自的任務，還要小組協作，相互協調交流和質疑探討，看到問題的解決途徑，共同完成項目。最后按照項目完成的情況，編制文檔，公開答辯，講解項目的實現過程，展示設計方案和創新之處，接受大家的質疑，總結和提高。

二、“自動控制原理”的教學目標

“自動控制原理”課程要求培養學生建立起專業知識與理論的框架，使學生具備建立控制工程項目的模型分析、建模的能力，具備綜合分析和設計自動控制系統的基本能力，具備使用計算機輔助分析和設計自動控制系統的能力，構建項目驅動的能力，進行實物工程設計實踐的能力和創新能力，并為運動控制、過程控制的能力培養提供理論支撐。

“自動控制原理”課程不僅理論性強而且實踐性也很強，將項目驅動教學法引入到“自動控制原理”課程，將過去以傳授知識為主的傳統教學理念改變為以解決問題、完成任務為主的互動式教學，有利于實現教學目標。

三、“自動控制原理”項目驅動教學實踐

1.項目的選擇

項目的好壞直接影響到教學的效果，要圍繞控制理論的教學目標，提高學生對具體系統建立數學模型的能力、分析系統的能力和設計控制系統的能力，同時提高文檔編寫能力和組織協調能力來選擇合適的項目。讓學生從解決實際工程問題出發來進行專業知識的學習，激發學生對實際工程問題的興趣，掌握該門課程的知識和研究手段、方法，引導他們探索并掌握解決問題的途徑和方法，培養學生項目的組織和管理能力以及溝通能力和團隊意識。項目的大小和難度要適中。

筆者在教學實踐中選擇電爐溫度控制系統為項目，因為溫度是一個非常重要的過程變量，溫度控制在工業領域應用非常廣泛，由于其具有工況復雜、參數多變、運行慣性大、控制滯后等特點，它對控制調節器要求較高。因此該項目具有廣泛的應用前景，而且體現了自動控制理論的教學目標，學生自己能動手實現，提高了學生的工程實踐能力和綜合素質。

2.項目要求

這部分由老師提出。老師綜合學生所學理論和實踐知識，以及學生的理解能力來提出項目要求。設計一個爐溫自動控制系統，控制對象為電爐，里面有加熱功能。水溫可以在一定范圍內由人工設定，并能在環境溫度降低時實現自動調整，以保持設定的溫度基本不變。系統設計具體要求：溫度設定范圍為20℃～70℃；環境溫度降低時溫度控制的靜態誤差≤0.5℃；采用適當的控制方法，當設定溫度突變（由40℃提高到60℃）時，減小系統的調節時間和超調量；用十進制數碼管顯示水的實際溫度；在設定溫度發生突變時，溫度能達到指定溫度并維持指定溫度。

3.系統分析

由于學生剛接觸爐溫控制系統，對系統的分析方法和總體設計步驟不是很清楚，這個部分由老師引導學生對系統進行分析，中間包括對系統要求的分析、數學模型的建立、控制方案的確定、軟件仿真、硬件軟件功能的劃分。

4.組建團隊，收集資料和學習，做出決策

教師將一個班級劃分為多個項目小組，實行組長負責制。項目小組的同學討論項目的實現方法，根據老師的分析，結合自己的理解來畫出系統的硬件設計總體框圖。在這個過程中學生可以通過查找文獻、上網搜索等不同的方式來搜集資料，老師進行講解，向同學提出各種各樣的問題來了解學生對知識的掌握程度，使學生充分理解系統的性能、控制方案等要求，然后小組成員一起討論，選擇各個小組認為合適的硬件結構系統，并按照選擇的結構系統設計該溫度控制系統。

5.系統控制方案的確定

電爐溫度控制系統控制的效果主要取決于控制器的設計?？刂品桨钢锌刂破鞯倪x擇有三種，分別是比例控制器、比例-積分控制器和比例-積分-微分控制器。要求學生學習這三種控制器的特點、作用和設計方法，根據項目的需求選擇合適的控制器?？刂破髦械膮荡_定是一個重要的問題，參數確定的方法很多，學生搜集資料學習討論確定。

6.系統軟硬件設計

在確定系統硬件結構后，設計系統的軟件和硬件部分。每個項目小組按照項目的內容和成員的特長進行分工，明確每個成員的職責和任務。硬件電路的設計主要有主機系統的設計、鍵盤和顯示電路設計、測溫電路設計、電爐控制電路設計、電源設計、A/D轉換，根據幾個部分的特點及要求，結合學生對系統的理解程度，proteus環境下畫出相應的電路圖，最后把各部分的硬件電路整合。軟件部分主要完成溫度檢測、溫度控制、定時、溫度顯示等環節，這些環節可以由不同的學生獨立編程完成。碰到問題時，老師可以講解或者學生自己查資料來解決。各環節程序完成后，再設計系統的主程序和中斷程序，這部分內容由大家集體完成。

7.系統硬件調試

本系統的硬件調試分為以下階段進行調試：邏輯錯誤調試、器件調試、可靠性調試、電源故障。這部分內容由大家集體完成，發現問題小組成員協調交流共同解決。

8.系統的聯機調試

聯機調試即軟件結合硬件的整體調試，在調試過程中，不僅要檢查硬件的問題，還要檢查軟件問題。在檢查硬件沒有問題后，然后結合硬件修改軟件程序，逐步檢查問題，直到調試出結果。這個過程需要小組成員的協作甚至老師的指導，共同完成。

9.系統數學模型的建立及軟件仿真

系統調試成功后，對電爐系統施加不同的控制信號，得到電爐溫度的輸出信號，從而對電爐進行建立數學模型。根據得到的數學模型，通過MATLAB 仿真軟件進行仿真實驗，得到控制器的參數。數學模型的建立方法可以由老師講解。

10.電爐溫度控制系統的在線控制

在程序中給定電爐的期望溫度，將仿真結果講到的控制器參數寫入程序中，在線對系統進行控制。通過觀察數碼管顯示的爐溫結果，確定控制的效果是否達到要求。如果沒有達到，或者性能指標不好，要學生分析原因，并且找出解決方法。

11.總結答辯

系統設計完成以后，各小組要討論系統設計過程中出現的各種問題，并討論通過這次的項目掌握比較好的知識點有哪些，還有哪些方面沒有掌握好，師生共同總結知識點和技能點。最后學生提交報告和作品，進行成果展示，進行公開答辯，接受大家的質疑和教師的評價。最后，在總結的基礎上，對設計成果進行改進與完善。

四、結束語

項目驅動教學應用在“自動控制原理”課程中，激發了學生的學習興趣，明確了學習目標，促進了學生學習動力的形成和學習方法的養成。學生主體作用明顯，得到了充分的工作體驗，實現學生知識到技能的遷移，實現教與學、理論與實踐的緊密結合，使學生掌握自動控制的專業知識，具備建立控制工程項目的能力，培養學生的個人能力與團體協作能力，尤其是項目組織、設計、開發和實施能力，從而培養學生的創新意識、工程實踐能力和理論聯系實際的學風，學生的綜合能力得到了提高。

參考文獻：

[1]張慧平，戴波，劉娜，等.基于CDIO教育理念的自動化課程的改革與實踐[J].電氣電子教學學報，2009，（S2）：138-141.

[2]李澤輝.“項目驅動式”教學法的探索與實踐[J].實驗科學與技術，2011，（2）：133-134.

[3]熊凡，李偉波.項目驅動的軟件工程實驗教學探討[J].中國電力教育，2012，（2）：77-79.

[4]李玉鷹.工學結合一體化課程教學設計案例選編[M].北京：外語教學與研究出版社，2011.

篇7

關鍵詞：車輛工程；課程改革；自動控制；系統辨識；M序

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）20-0035-03

一、引言

《自動控制原理》是一門既抽象又具有很強實踐性的課程，但是實際上在工業界可以看到諸多從事控制的工程師并非出于自動控制科班出身，即使有自動控制原理基礎的工程師他們也幾乎很少用到經典控制理論。這一方面是因為PID控制毋需系統模型就可以獲得較好的控制品質，另一方面是因為《自動控制原理》的教程中只講到了在獲得傳遞函數的情況下如何綜合控制器，而對傳遞函數的獲取且是很少提及（除了較為淺顯地談及到如何在波德圖基礎上進行系統辨識）[1，2]。許多碩士研究生在給出一個傳遞函數的情況下可以進行各種控制算法（如模糊、神經、預測等諸多高級控制技術），但一涉及到如何針對真實系統進行控制器設計，他們就會放棄各種算法轉而求助于PID，甚至有些還只會開環控制。這迫使控制理論教學需要被經一步創新。

當前控制理論的研究新成果層出不窮，工業先進控制技術，如自適應控制、預測控制、魯棒控制、智能控制，最優控制得到了飛速的發展，但工業界對控制理論的應用且一直滯后不前。原因可能有以下三點。

1.過去由于受限于模擬電路去實現控制規律，因此控制算法不宜過于復雜，這導致諸多復雜但優秀的控制算法因難以實現而只能成為理論家們的欣賞品。這種固有的觀點一直被放大，但如今數字控制技術發展迅猛，一些DSP處理器的單次浮點運算已經快于0.01微妙，許多高級控制算法的實現基本上不存在物理瓶頸。

2.自動控制系統的設計過程通常對設計團隊有許多要求，從大的方面它至少包括：傳感器和執行器選擇、系統建?；虮孀R、控制器設計仿真、控制器軟硬件實現。經典《自動控制原理》課程只包含整個過程的20%不到的知識點和工作量，而且往往整個過程需要一個團隊而不是個體，這在很多中小型企業中是難以做到的。如果回顧當前軟硬件技術的發展，這些原本需要團隊完成的工作完全可以讓個人勝任。目前先進的控制軟件包（Matlab中的控制工具箱）、硬件平臺以及相關代碼自動生成技術（如dSPACE，MotorTron，ETAS，XPC-Target），已經越來越多在汽車工業界被廣泛使用，但同樣這些技術和產品也適合其他工業控制器的研發。

3.控制理論教學的創新需要繼續發展，教材內容和工程實踐存在一定的差距。

要克服上述三點必須從自動控制的基礎教學抓起，在現存的《自動控制原理》教材中引入合理的新章節或新實驗使得學生在控制器設計的所有環節得到相關訓練，從而能夠讓他們在以后的工程實踐中借助于相關控制器設計方法而獲得較好的系統控制品質，而不是憑借“萬能的PID”進行包羅萬象的控制器設計，或依然停留在開環控制階段

二、《自動控制原理》中包含的新內容

作為一門專業基礎課，《自動控制原理》的學習不僅僅是為了考試或停留在理論的欣賞，而更多是受惠于以后的工程實踐。但是目前《自動控制原理》過多強調系統分析和系統綜合，對系統辨識和控制器設計過程缺少相關知識點的介紹。為此本文針對一般控制對象，從知識點上對控制器設計過程的教學進行了探討。由于控制器綜合的基礎是控制對象模型，因此系統模型的獲取是十分重要的，但同時很多時候系統模型是難以通過機理的方式建立，即使建立也會有很多參數待辨識；另一方面，工業過程大多較為復雜，機理難以分析，因此機理建模往往被束之高閣。通過輸入―輸出信息進行系統辨識是一種相對普適的方法，它毋需過多的機理分析，也不需要深厚建模功底，而且又能描述大多數系統過程。實際系統總是非線性的，如何用一個線性模型去逼近實際系統是一個復雜的數學問題，很多教材從理論上解釋了如何對微分方程線性化[1，2]。缺少從輸入-輸出的角度去描述非線性系統線性化，其實這更具有工程實踐意義，同時也是容易被接受的。下面就從平衡點線性化和M序列系統辨識兩方面來解釋模型線性化和模型獲取，同時給出了實際系統的控制器拓撲結構。這樣就可以讓學生對模型獲取和控制器設計以及實現過程有了一個整體了解。

（一）平衡點線性化

實際系統都是非線性系統，而且工作點也并非處在零點這個位置，這里不妨設實際系統為非時變且可以被描述為：x=f（x，u）y=h（x，u） （1）

其中，x為系統狀態，u為系統輸入，y為系統輸入，f，h均為光滑映射。

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關鍵詞： 《自動控制原理》 系統仿真 MATLAB 實驗實踐 教學質量

一、引言

《自動控制原理》是高等學校信息類專業的一門主干課程，同時也是一門理論性與實踐性結合很強的專業課程。但由于課程內容抽象，計算性強，作圖方法多，學生往往不易理解和掌握，甚至產生厭學情緒。為了在教學中充分調動學生的積極性，提高課程教學質量，取得更好的教學效果，筆者將控制系統仿真軟件MATLAB與《自動控制原理》課程有機結合，把MATLAB/Simulink引入傳統教學方法中，實現《自動控制原理》課堂教學的圖形化和交互化，這樣不僅可以簡化課堂授課的解題過程，而且可以充分利用計算機強大的表現能力，把抽象的問題具體化，便于加深學生對抽象理論知識的理解和接受，有利于學生深入掌握該課程的實質。

另外，實驗環節是《自動控制原理》課程不可缺少的一部分。傳統的《自動控制原理》實驗一般僅采用自控實驗箱，在實驗箱面板上實現相應典型環節的連接，再通過示波器觀察系統的響應曲線。這種單純依賴自控實驗箱的實驗方式雖然可以一定程度地鍛煉學生的動手能力，但觀察效果差，操作復雜，學生只能被動接受實驗，實驗設備高度集成化，可擴展和創新性差，不利于學生學習主動性和積極性的培養。因此，結合MATLAB仿真軟件，克服傳統《自動控制原理》模擬實驗的局限性，擴展開發自控實驗箱的可視化功能，利用MATLAB仿真技術促進《自動控制原理》實驗教學改革是筆者要實現的研究目標之一。

二、利用MATLAB仿真改進《自動控制原理》課程教學主要研究內容

1.將課堂教學與MATLAB仿真工具相結合，利用MATLAB形象、生動的演示功能推進演示性課堂教學的實施，使學生在文字描述的基礎上結合MATLAB仿真的精確圖形，更直觀、更準確地理解自動控制原理課程理論中的基本概念。

2.利用MATLAB仿真軟件改進《自動控制原理》課程實驗內容，指導學生以MATLAB軟件為仿真工具，用計算機解決《自動控制原理》課程中的相關知識點問題。實驗過程中通過MATLAB語言編制交互性能良好的程序，加深學生對抽象理論知識的理解，增強學生分析問題、解決問題的能力。

3.借助MATLAB仿真軟件完成創新性實驗，讓學生直觀地進入實驗的本質階段，體味自動控制仿真的樂趣和創造性，起到激發學生科學創造性的作用。

三、利用MATLAB仿真改進《自動控制原理》課程教學研究的關鍵技術點

1.應用MATLAB進行模型處理。

2.利用MATLAB繪制線性控制系統的時域響應曲線，并結合MATLAB仿真結果分析系統時域特性。

3.利用MATLAB繪制線性控制系統的根軌跡圖，并根據根軌跡圖判斷系統的穩定性。

4.利用MATLAB繪制線性控制系統的頻域響應圖（含Bode圖及Nyquist曲線），并根據仿真結果研究、分析控制系統的頻域特性。

5.應用MATLAB進行離散控制系統分析。

6.利用MATLAB軟件的Simulink仿真工具箱，搭建一級直線倒立擺自動控制系統，并通過仿真實驗分析研究系統特性。

四、利用MATLAB仿真改進《自動控制原理》課程解決問題舉例

根軌跡分析法是經典控制理論中比較成熟的一種圖解方法，它是指開環系統中某個參數從零變化到無窮時，閉環極點在復平面上的變化軌跡。利用根軌跡同樣可以分析系統的暫態性能和穩態性能。顯然，如果是手動求解特征方程，然后逐個畫出參數對應某一個值時的閉環極點，再把這些點連成線構成根軌跡，計算量很大，計算過程也很復雜。即使能夠繪制出系統的根軌跡，也只是個概略圖。如果稍有差錯，就會影響到學生對系統性能的判斷，甚至產生誤判。因此在授課過程中，任課老師迫切希望尋找到一種方法，既根據基本法則繪出粗略的根軌跡圖，又方便快捷地得到準確的根軌跡圖。

MATLAB控制系統仿真軟件是一個對控制系統進行建模、分析和仿真的軟件，具有較強的繪圖能力，所以可以很好地解決這個問題。使用MATLAB軟件提供的rlocus函數，就可以輕松繪制開環傳遞函數中某個參數在變化時的準確的根軌跡，這樣將避免由于手工繪制根軌跡所帶來的一些問題。另外，通過調用rlocfind函數，還能夠輕松獲取根軌跡上某一點所對應的閉環極點和開環增益，極大地減少計算工作量。

例如：繪制開環傳遞函數為G（s）=■的負反饋系統當K從0∞變化時的根軌跡，可調用下列程序：

num=[1]；

den=[1？搖 3 ？搖2 ？搖0]；

rlocus（num，den）

程序執行后，所繪制根軌跡圖如下圖所示，從下圖可以容易看出根軌跡的起點為0、-1、-2，終點3個∞，根軌跡條數為3條。如果鼠標在根軌跡上任選一點，都可以讀出該點對應的閉環極點P和增益K，以及根軌跡的分離點和相應的根軌跡增益kg。當K從0∞變化，兩條根軌跡隨著K的增大越過虛軸向右伸展，也就是說系統有一對閉環極點的實部是由負數逐漸變化到正數的，所以系統的穩定性是在變差，經臨界穩定最后變得不穩定。由根軌跡圖可以很方便地求出使系統穩定的開環增益K的取值范圍。

圖 MATLAB下線性系統的根軌跡圖

五、結語

筆者利用MATLAB仿真改進《自動控制原理》課程教學，滿足了《自動控制原理》課程教學方法轉換的迫切需求，且通過實踐表明，教學效果令人滿意，極大提高課堂效率、增強學生的動手能力，激發學生的學習興趣。

參考文獻：

[1]劉軍.高職高專《自動控制原理》課程教學的研究.現代企業教育，2007（22）.

[2]陳旭，余國林.自動控制原理探索與研究.電氣電子教學學報刊，2009，10.

篇9

關鍵詞： 自動控制原理 教學改革與實踐 MATLAB

一、引言

自動控制原理課程是控制類和電子信息類專業的主要專業基礎課之一，通過對控制理論知識的學習，使學生掌握自動控制系統的基本概念和系統分析、設計的基本方法，初步掌握系統實驗技能，學會運用MATLAB進行輔助分析設計的方法，為后續課程的學習和進一步深造打下必要的理論基礎，該課程對學生建立系統和工程的概念具有十分重要的意義。自動控制原理是一門集理論性、實踐性、綜合性于一體的課程，有一定的深度和學習難度，在學習過程中容易感到枯燥乏味，傳統的教師講授型教學方式，以教師授課為主，師生互動較少；基本概念、基本原理闡述多，理論與實踐脫節，學生難以理解。為了促進教學質量的提高，對該課程進行教學改革是十分必要的。

二、自動控制原理教學中的幾點體會

1.改革課程體系，優化教學內容，提高教學質量

自動控制原理是一門理論性和綜合性很強的專業基礎課，要求學生具有扎實的基礎知識和較強的計算能力，導致學習過程相對困難。再加上課程在教學過程中，內容多學時少的矛盾也較為突出，所以精選課程內容，改革課程體系就是首當其沖必須完成的。應對理論性過強和目前工程實際中較少使用的內容進行適當的調整和刪減，做到精選課程內容，突出重點。本課程的重點是線性系統的數學建模、性能分析與綜合校正。課程的難點是性能分析與綜合校正。在教學過程中，應當突出重點和化解難點，在教學過程中以建模、分析和綜合為貫穿全課程的主線，進而展開教學，使學生在整個學習過程中，做到舉一反三，從而對自動控制理論有一個完整清晰的理解。

針對理論性較強的內容，在教學過程中淡化推導，淡化具體的計算過程，強化定性分析和認識。以具體工程實例為出發點，通過恰當的舉例，把抽象問題具體化，便于學生對抽象概念的理解，讓學生不再認為是在學習一門純理論的課程，而是一門工程實踐課程，消除對課程的恐懼感，增加學習的興趣。比如控制理論中反饋是一個非常重要的概念，在講到開環和閉環時，可以用生活中實例來說明，一臺真正的全自動洗衣機如果能檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動切斷電源的功能，它就是一個閉環控制系統。

2.多種教學方法相結合，提升教學手段

自動控制原理課程理論性強，內容抽象，并且計算內容非常多，在分析的過程中還大量使用圖表，如果用傳統的板書式教學，會花費大量的時間在公式推導和曲線繪制上。而多媒體教學可以在繪圖的準確性和快速性方面有較大提高，還有助于學生對抽象知識的理解。在教學中以多媒體教學為主，對于一些重點難點適當的輔以板書，同時加強課堂互動，提高教學效果。

自動控制原理是來源于控制實踐的理論課程，在學習系統分析和綜合校正的過程中，計算量很大，分析過程繁瑣，學生理解起來比較困難。MATLAB軟件功能強大，具有先進的視覺化功能，是一種強大的科學計算語言。特別是研究系統中某個參數或環節變化時對系統的影響，可以很直觀的通過MATLAB展現出來。例如，已知一偵察車速度控制系統的開環傳遞函數為，要求是用頻率響應法選擇系統增益K，使偵察車速度控制系統的單位階躍響應有較小的穩態誤差和超調量。根據勞思穩定判據可知：使閉環系統穩定的K值范圍為K>0?？蓪⑾到y近似為振蕩二階系統，取不同K，通過用MATLAB編程，可繪制出系統的單位階躍響應曲線如圖所示

綜合考慮圖中結果，以取K=10時系統的各方面性能較好。

在教學過程中發揮MATLAB在自動控制原理教學中的應用，使學生在此過程中可以即時觀察分析結論，以加深對課程本質的理解，全面掌握所學內容。

3.重視實驗實訓教學，培養學生實踐和創新能力

實驗教學不僅是對理論知識的驗證，更重要的是培養學生動手能力、創新精神和能力的重要途徑。傳統的實驗課程主要是利用實驗箱做一些驗證性實驗，實驗結果受各方面影響很大，不利于學生理解和認識。利用MATLAB軟件的SIMULINK仿真平臺作仿真實驗，能很好解決物理實驗的不足，加深對課程知識的理解，還可以將實驗延伸到課外進行。學生根據個人情況自主選擇難度等級不同的實驗，根據系統的性能要求，獨立完成系統設計，系統搭建和調試，記錄原始數據和圖形，寫出實驗報告。不僅調動了學生學習的主動性和積極性，鞏固了課程理論，激發了學生學習的熱情，還培養了學生的動手能力和獨立思考的能力，使其觀察、分析和解決問題的能力都有很大的提高。對于鞏固和應用所學知識，提高實踐能力，把理論和實踐很好的結合起來有著重要的意義。

三、結束語

隨著自動化技術在生產和生活中的廣泛而深入的應用，自動控制原理作為一門具有“方法論”特點的課程也越發得到重視。實踐表明，通過以上對自動控制理論課程的從教學內容、方法及形式、教材建設、實踐教學等方面進行的全方位、多層次的改革探索和實踐，尤其是將MATLAB引入到課程教學中，很好地激發了學生的學習熱情，提高了學生的實際應用能力，取得了良好的教學效果。

參考文獻：

[1]黃堅.自動控制原理及其應用[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2]鄭明方.自動控制理論課程的教學改革與實踐[J].江蘇上業學院學報，2003，（6）：55-56.

篇10

【關鍵詞】MATLAB語言；GUI；虛擬實驗平臺

1. 研究意義

本文以典型線性實驗系統為研究對象，基于 MATLAB 設計出實時控制統一的實驗平臺。該實驗平臺依托MATLAB數值計算以及數字仿真功能，可以完成控制系統模型分析、綜合設計、仿真研究和在線分析的整個過程，實現驗證性、開放性、設計性等不同層次實驗的要求，為設計開發實驗平臺打下基礎。GUI的設計是基于MATLAB的GUIDE開發環境，利用面向對象的編程技術，達到使實驗者可以通過簡單的鼠標拖放以及參數的修改完成仿真實驗。以二階系統的階躍響應輸入為例，有效驗證虛擬實驗平臺的運行效果。通過實驗設計可靠的控制策略并根據實驗現象和實驗數據修改控制參數等來控制試驗系統的穩定性。

2. 二階系統的階躍響應簡介

分析二階系統的動態特性對于研究自動控制系統的動態特性有重要意義。因為在實際工作中，在一定條件下，忽略一些次要因素，常?？梢园岩粋€高階系統降為二級系統來處理，仍不失其運動過程的基本性質。二階系統的實驗電路如圖1所示。

圖1二階系統的實驗電路

已知典型的單位反饋系統來分析二階系統的單位階躍響應及其動態指標。假

設初始條件為零，輸出量的拉氏變換為：

系統的特征方程為s2+2εWn+W2n=0 ；由特征方程可以解出特征方程式的根，這些根與阻尼比 ε有關?？梢苑謳追N情況來分析二階系統的動態特性。

2.1過阻尼的情況。

系統的特征根為

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）虛軸的左側，并且均在是實軸上。動態響應曲線由穩態分量和暫態分量組成。暫態分量又包含兩項衰減指數項，一項衰減指數項為-P1=-（ε-ε2-1） Wn ，另一項為-P2=-（ε+ε2-1） 。當ε1 時，后一項的衰減指數比前一項的衰減指數衰減得快，因此后一項暫態分量只是在響應的前期對系統有所影響，而在后期影響甚小?？梢钥闯鲞@種情況下系統是為無震蕩無超調的單調遞增的暫態響應，如圖2所示。由實驗的階躍響應圖可以得出在過阻尼情況下，動態特性為單調變化曲線，沒有超調和振蕩，但調節時間較長，系統反應遲緩。2.2欠阻尼的情況。

當 0

2.3臨界阻尼的情況。

當 ε=1時為臨界阻尼，這種情況是無超調，這時的二階系統的動態響應為一條上升曲線，如圖4所示。

圖4臨界阻尼的階躍響應

2.4無阻尼的情況。

（1）當ε=0 時為無阻尼的情況，這時系統為無衰減的震蕩，其震蕩角頻率為 Wn，系統動態響應曲線如圖5所示。

圖5無阻尼的階躍響應

（2）綜上所述可以看出，在不同的阻尼比時二階系統的動態響應有很大的區別，因此阻尼比ε 是二階系統的重要參量。當ε0 時，系統不能正常工作，而在 ε1時，系統的動態響應進行的又太慢。所以對于二階系統來說，欠阻尼情況（ 0

3. 線性系統穩定性的研究

（1）一個系統正常工作的首要條件，就是它必須是穩定的。所謂穩定，是指系統受到瞬時擾動的作用，使被控量xc（t） 偏離了原始的平衡狀態而產生偏差Δxc ，當瞬時擾動消失后， Δxc 逐漸衰減，經過足夠長的時間，Δxc 趨近于零，系統恢復到原來的平衡狀態，則系統是穩定的。反之，若Δxc 隨著事件的推移而發散，則系統是不穩定的。

（2）線性系統的穩定性取決于系統本身固有的特性而與擾動信號無關，它取決于瞬時擾動消失后的暫態分量的衰減與否。暫態分量的衰減與否取決于系統閉環傳遞函數的極點（系統的特征根）在s平面的分布：如果所有極點都分布在s平面的左側，系統的暫態分量將逐漸衰減為零，則系統是穩定的；如果有共軛極點分布在虛軸上，則系統的暫態分量做簡諧震蕩，系統處于臨界穩定狀態；如果有閉環極點分布在s平面的右側，系統具有發散震蕩的分量，則系統是不穩定的。

（3）由上述分析可知，線性系統穩定的充分必要條件是：系統的特征方程根（即系統的閉環傳遞函數的極點）全部為實數或具有負實部的共軛復數，也就是所有閉環特征根分布在s平面虛軸的左側。由討論結果知道：ε>0 時，系統的極點均位于s左半平面，系統的動態過程呈現指數衰減或衰減振蕩，系統是穩定的；ε0 時，系統的極點位于虛軸或s右半平面，系統的動態過程呈現等幅振蕩或發散振蕩，系統是不穩定的。

4. GUI簡介

（1）圖形用戶界面（Graphical User Interface，簡稱為GUI）是用戶與計算機進行信息交流的窗口，它的設計是虛擬實驗仿真平臺的主要工作之一。用戶可以通過某種方式來選擇或者激活用戶界面上菜單、對話框以及控件等圖形對象，來運行一些特定的M文件。

（2）利用MATLAB7.0版中的圖形用戶界面設計向導編輯器GUIDE進行可視化編程，即可完成軟件界面的創建。在圖形的設計過程中，GUIDE提供了下面一些工具：菜單編輯器、對象瀏覽器、屬性編輯器、控件布置編輯器、網格標尺設置編輯器和GUIDE應用屬性設置編輯器等。用戶將它提供的工具與編程經驗結合起來，可以方便地創建友好的圖形用戶界面。各級界面主要利用向導編輯器GUIDE中提供的控件（如按鈕、文本框等）來設計友好的交互式界面。使用Property Inspector修改控件屬性，如背景色、前景色、字體及大小、位置、標志、類型等，控件不同屬性也不相同。借助GUI設計面板提供的控件布置編輯器/Align Objects0，可以很容易的對所選對象進行水平、垂直和間隔排列布置。

（3）通過圖形界面中的控件的操作來完成圖形界面的功能，這些操作是通過函數代碼的執行來完成的。函數代碼的編制可以通過編寫回調函數實現，在編寫時可以把該控件的函數代碼直接書寫在/Callback0屬性中，也可以把函數代碼放在一個自定義的M文件中，而在/Callback0中只寫上其文件名。當操作該控件時，系統會自動執行/Callback0中所要求執行的內容，完成相應的功能。

圖6虛擬實驗平臺的四個模塊

圖7二階系統的階躍相響應界面

圖8系統穩定性分析界面