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自动控制原理是高等院校电子、电气、信息类专业学生很重要的一门必修课,是一门实践性很强的技术基础课,它不仅要求学生掌握一定的理论知识,而且要求学生能够熟悉常用模拟控制器的功能,具有解决工程实际问题的能力.但是对于这门课程的学习学生通常都会感到非常枯燥的.实验演示或者学生动手实验,可以帮助学生理解学习内容,但是,不得不看到目前高校的实验课的开设,受到经费、学时的限制,许多通过实验演示更容易使学生理解的课程内容,由于缺乏实验支撑,影响了教学效果.同时在实验操作时,由于任何一个实际系统都是多参数的系统,其输出受到多种条件的影响.课程实验通常是观察在少数（常设定为一个）参数条件变化时,系统的输出结果,这样,就会出现由于实验条件的控制和调试出现偏差,得不到应得的结果,引起学生的误会,达不到应有的教学效果.本文介绍的用MATLAB语言和在Simulink仿真环境开发的自动控制原理计算机辅助教学与仿真实验软件,可以有效地解决这种问题.
1 软件的设计及功能
本软件通过MATLAB语言的图形用户界面工具GUI,以交互方式设计并实现自动控制原理的大部分教学内容和仿真实验内容.以交互方式设计本软件,使得用户可以在线任意输入系统的数学模型,测试系统的特性,具有非常大的灵活性.
软件分为辅助教学和仿真实验两部分,由一个主界面如图1所示和九个子界面组成,子界面包括数学模型、时域分析、频域分析、稳定性分析、关于LTI VIEWER 、SISO设计工具、模型连接、非线性系统、仿真实验等,还可以点击“进入课件”按钮浏览课程相关章节学习.子界面采用交互式方式设计,用户可以任意输入系统传递函数,测试相应特性.并且为方便用户的使用,界面上还设置了帮助系统,用来介绍整个界面的功能及说明如何在线正确输入.在数学模型、时域分析、频域分析这些界面上,将系统分为线性连续和线性离散两部分.“数学模型”界面介绍了自动控制原理中的常用数学模型之间的转换,以交互方式设计,基本可以实现任意模型之间的转换.“模型连接”界面主要研究三种模型的连接及其变换,并且显示连接结果.“频域分析”界面用来绘制系统的波德图、奈奎斯特图、根轨迹图等.“稳定性分析”界面为文本界面,主要介绍了“代数稳定性判断”、“奈奎斯特稳定性判断”、“根轨迹稳定性判断”三种判断依据,并给出相应的例题及分析结果.“仿真实验”这个界面主要在SIMULINK环境相似度检测绍分析了自动控制原理课程中九个常用的实验,通过观察实验波形可以使学生对实验结果产生一个直观的认识.以便于在以后的实际实验中有所参考.软件的功能包括：
（1）软件采用主界面调用子界面的方式,每个子界面的功能包括其课程各个章节的主要内容.界面设计采用在线输入的方式,可以完成任意系统的分析、设计、绘制仿真图形、显示性能指标等.如绘制单位阶跃响应图形、根轨迹图形、奈奎斯特图形、伯德图.学生也可以运行该软件辅助学习课程内容,并可以检验部分作业和习题的正确性.
（2）仿真实验部分,有指导学生独立进行设计性实验的说明,从而为学生提供了仿真实验的平台,为完成设计性实验提供指导.先做仿真实验再在实际设备上实验,可以有效地提高实验的效率,使学生容易将理论与实际联系在一起.实验采用仿真实验与实验设备相结合的方式, 可以取长补短, 既锻炼了学生的实际动手能力又可以利用计算机仿真实验调整方便的特点,全面提高学生的各种能力.
（3）教师在课堂上进行演示实验,与课件随时切换,分析和设计系统,展示实验过程和结果.按照所分析的内容,严格控制实验条件, 得到准确的实验结论或图形,一目了然.
2 软件运行部分结果
用户可以在动态文本输入框中输入想要测试的系统传递函数,然后点击相应的按钮,就会显示测试结果.以“时域分析”界面为例,在主界面上如图1所示,点击“时域分析”进入时域分析界面,如图2所示,在连续部分输入系统函数：num等于[1 1 1]；den等于[1 2 3 4]；点击“单位阶跃响应”按钮,显示如图3所示的单位阶跃响应,并可以得到系统的上升时间、稳定时间、超调量等性能指标.
仿真实验以自动控制系统校正为例,已知某系统的开环传递函数为 等于 ,其闭环负反馈系统的稳态性能不满足要求,系统对单位输入的稳态误差部位零,要求将系统按二阶工程最佳的方法进行校正.图4是校正前和校正后系统的仿真结构图,上部是原系统,下面两个系统都是按二阶工程最佳校正后的系统,但是控制器的参数不同,分别为 等于 和 等于 ,可以看出校正后系统的动态性能是不同的,图5是校正前和校正后系统的单位阶跃响应图,其超调量相同,调节时间不同.由此可从实验中看出,按二阶工程最佳的方法进行校正的系统,阻尼系数等于0.707,所以超调量相同,但调节时间不同.
3 应用情况
该软件随本作者主编的《自动控制原理》教材已经由北京大学出版社出版,软件下载的为：http：//.pup6..该软件应用在我校自动控制原理课程教学和实验中,教师在多媒体教室讲课时,使用该软件辅助教学,随着理论讲解并随时运行软件进行演示实验或验证相关的结论,如绘制根轨迹图等,大大丰富了多媒体教学,学生很容易理解,教学效果有很好的改观.学生用这个软件做仿真实验,有效提高了实验的效率.另外,该软件是对用户开放的,在使用过程中用户可以随时进行补充丰富其内容.