基于MATLAB仿真的自动控制原理课程教学改革探索
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自动控制原理课程是数学、控制、信息领域的交叉学科，具有概念抽象、数学计算量大、工程实践性强等特点。当前，许多高校以计算机辅助教学为手段，将MATLAB与相关课程进行了整合，为教学带来了极大的灵活性和便利性。MATLAB是一款数值计算型科技应用软件，由于其强大的矩阵运算和绘图功能，被广泛地应用在控制领域中，成为了控制系统的计算机辅助分析与设计的一个卓越平台。因此，结合MATLAB仿真在控制领域的潜在教学功能，从以下三个方面阐述本人对自动控制原理课程教学改革的探索和实践。
一、将MATLAB与自动控制原理课程进行整合
将MATLAB与自动控制原理两门课程进行整合，使MATLAB与自动控制原理课程的教与学融为一体，实现了传统教学模式的创新。自动控制原理课程主要涉及到控制理论的基本概念、控制系统的数学建模（传递函数）、时域分析、频域分析、系统的稳定性和系统的综合校正等基础知识。整合后的自动控制原理课程的内容，一方面应当以经典控制理论为主，同时从当前的控制技术中选取一些比较符合课程要求的理论知识，补充介绍给学生，以保持课程内容的先进性。另一方面，结合自动控制原理教学的要求，介绍相关的MATLAB知识：①相关的工具箱，如控制系统工具箱、模糊逻辑工具箱、神经网络工具箱等；②MATLAB语言编程方法，尤其是矩阵分析及M函数和S函数的编写方法；③Simulink建模仿真方法。重点对MATLAB语言和Simulink仿真进行介绍和应用。MATLAB语言作为当前国际控制界最流行的面向工程与科学计算的高级语言，能够设计出功能强大、界面优美、稳定可靠的高质量程序；而MATLAB环境下的Simulink拥有丰富的系统建模、仿真和分析的动态仿真集成环境工具箱，在众多仿真软件功能是最强大、最优秀、最容易使用的，被广泛应用于控制领域中。
传统教学中控制系统的常用分析方法有时域法、根轨迹法、频域法等，其本质都是“分析+图解”的方法，其最大特点是依靠逐步试探和调整，以达到全部性能指标要求。常常伴有如下困难：内容抽象难懂，学生没有兴趣；计算工作量大，浪费课堂时间；手工绘图精度低，分析质量差；学生对高阶系统望而生畏等。因此，利用计算机辅助教学的手段，用MATLAB Notebook结合PowerPoint对比较典型的内容制作多媒体课件，形成了集自动控制理论的基础知识教学、系统分析与设计于一体的多媒体教学环境，是解决传统理论教学中的困难的有效途径之一。
MATLAB Notebook允许用户把word文档中创建的M ATLAB语言编写的程序送到MATLAB中执行，然后将运行的计算结果和绘制的图形送回到word中，并插入到文档中。因此，先用MATLAB Notebook制作M-book的文档。再使用PowerPoint制作幻灯片，在PowerPoint中建立超级链接，以实现PowerPoint与M-book之间的链接。在教学过程中，适时地穿插按此方法制作的课件进行演示教学，再配上教师的一定讲解，使理论教学生动、形象、直观。实践证明，利用M ATLAB语言中系统建模、分析及设计、计算与作图的有关函数，可方便进行性能指标的计算，以及画出相关的图，从而节省计算时间，避免计算、作图错误，把教学的注意力集中在概念、原理的思考上，通过对结果的分析来加深对理论的理解。
三、基于MATLAB仿真的实验教学改革
传统的自动控制实验教学，一般采用实际的自动控制系统或自控实验箱，对系统进行实际的控制操作或在实验箱面板上连接相应的典型环节，通过对应的计算机软件观察系统的响应曲线及各项指标。虽然这种方式可以一定程度地提高学生的动手能力，但一般只能开设验证性实验，而且观察效果不理想。因此，将MATLAB仿真引入实验教学中，提出将虚拟实验与实物实验相结合，改革传统实验教学，开设MATLAB仿真实验，增加综合性和设计性实验项目的比例，加强课程设计、毕业设计的指导及管理。
MATLAB仿真实验的步骤：①利用Simulink功能模块或调用M函数及编写S函数等建立控制系统仿真模型并确定仿真输入和输出；②设置仿真参数，如数值算法、仿真时间、步长、相对误差、绝对误差等；③进行动态仿真并输出结果；④分析仿真结果并修改模型再进行仿真。应用MATLAB语言，特别是控制工具箱的有关命令设计调节系统，简化了设计过程及步骤。通过改变系统参数和补偿器参数，可以方便地得到不同的频域特性和时域特性，根据性能指标，选取一组最佳参数，从而完成系统的设计和仿真。不同的系统和不同的性能指标，反映在MATLAB设计程序上，仅仅改变MATLAB设计程序的系统矩阵参数及期望极点的位置。依托Simulink强健的仿真能力，在软件环境中进行动态系统模型的仿真不仅可以较早的排查系统设计的缺欠和错误，还有助于设计者更好的理解系统模型的行为，从而完成对模型和控制系统算法的优化。实践证明，MATLAB仿真实验具有如下优点：①方便灵活，既可以在实验室也可以在学生宿舍进行，且在仿真器上可以任意作参数调整，体现了仿真实验的灵活性；②教学成本低，解决了学校因缺少资金筹建复杂模拟控制系统实验室的困难；③拓展了学生的思维，有利于引导学生进行更复杂的系统分析，使以往不敢触及的问题得到扩展和深入，提高了学生实际解决问题的能力。因此，将虚拟实验与实物实验相结合进行实验教学，有利于提高了学生理论设计、计算机仿真及相应的实物制作与系统调试的综合能力。
（作者单位：新余高等专科学校机电工程系）