基于任務(wù)驅(qū)動的Matlab與控制系統(tǒng)仿真教學(xué)方法改革

吳愛萍

南京工程學(xué)院 江蘇南京 211167

基于任務(wù)驅(qū)動的Matlab與控制系統(tǒng)仿真教學(xué)方法改革

吳愛萍

南京工程學(xué)院 江蘇南京 211167

針對Matlab與控制系統(tǒng)仿真教學(xué)現(xiàn)狀，引入任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法。首先將教學(xué)內(nèi)容分解成任務(wù)體系，引導(dǎo)學(xué)生自主地在完成任務(wù)過程中學(xué)習(xí)新的知識點。這種教學(xué)法充分體現(xiàn)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主體地位，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，收到較好的教學(xué)效果。

Matlab；任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法；教學(xué)改革

Abstract: The teaching method based on task-driven was drawn into in accordance with the present situation of teaching in the course of Matlab and control system simulation in this paper. First, the content of course was resolved into the task system, then the teachers lead students to learn new knowledge independently during the process of completing the tasks. In this way the students’ major position in learning could be ref ected and students’ enthusiasm about learning could be aroused . The effect of this method was very good.

Key words: Matlab; teaching method base on task-driven; reform of teaching

Matlab與控制系統(tǒng)仿真實習(xí)是自動化專業(yè)本科學(xué)生一門必修的實踐教學(xué)課程。設(shè)置該課程目的在于通過上機操作掌握控制系統(tǒng)計算及仿真的Matlab函數(shù)命令，并能用Simulink仿真工具對控制系統(tǒng)進行仿真、分析和調(diào)試。鞏固控制系統(tǒng)分析設(shè)計的基本原理和方法，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題、應(yīng)用知識的能力和創(chuàng)新精神，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，為今后專業(yè)能力的培養(yǎng)和從事生產(chǎn)技術(shù)工作打下必要的基礎(chǔ)。該課程與多門課程交叉，理論性強，同時又具有濃厚的工程背景，目前的教學(xué)方法是教師怎么教學(xué)生就怎么學(xué)，教學(xué)效果并不好，主要問題體現(xiàn)在學(xué)生綜合應(yīng)用能力較差，缺乏分析問題的能力。因此，在該課程引入任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法具有重要的意義。

1 任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法及其優(yōu)點

任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法是一種主動探究型教學(xué)模式，其實施過程通常包括：設(shè)計并提出任務(wù)、分析任務(wù)、自主協(xié)作完成任務(wù)、交流評價等環(huán)節(jié)。教師提出任務(wù)后不再主宰整個教學(xué)過程，而是引導(dǎo)學(xué)生去分析、去探索，教師只點撥或引導(dǎo)。其學(xué)習(xí)內(nèi)容更為開放，能更好地滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，使得每名學(xué)生都有成就感。任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法強調(diào)學(xué)生的學(xué)習(xí)主體地位，突出任務(wù)的目標性，讓學(xué)生在若干具體任務(wù)的驅(qū)動下，通過自主探索和互動協(xié)作，主動完成學(xué)習(xí)任務(wù)，在完成任務(wù)過程中學(xué)習(xí)新的知識點。充分發(fā)揮學(xué)生的自主性、能動性、創(chuàng)造性，這有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。通過在Matlab控制系統(tǒng)仿真實踐教學(xué)中運用任務(wù)驅(qū)動教學(xué)模式，以達到調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，提高教學(xué)效果的目的。

2 Matlab控制系統(tǒng)仿真教學(xué)任務(wù)設(shè)計和分析

任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法中任務(wù)設(shè)計的質(zhì)量直接影響到教學(xué)效果，所以要求教師在課前認真分析教材，在把握總體目標的基礎(chǔ)上，把總目標細化分成一個個小目標，并把每個學(xué)習(xí)模塊的內(nèi)容細化為一個個容易完成的任務(wù)，通過這些小的任務(wù)來體現(xiàn)總?cè)蝿?wù)。任務(wù)要由簡到繁，由易到難，循序漸進，不應(yīng)局限在書本上，要具有一定的發(fā)散性，讓學(xué)生有充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力的機會。

Matlab控制系統(tǒng)仿真教學(xué)任務(wù)設(shè)計，是任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法的核心。我們教研課題小組的同志認真梳理控制系統(tǒng)課程體系，分析控制系統(tǒng)課程的教學(xué)內(nèi)容，由簡到難地將課程分成Matlab基本功能任務(wù)、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及其轉(zhuǎn)換任務(wù)、控制系統(tǒng)時域分析和頻域分析任務(wù)、控制系統(tǒng)校正設(shè)計任務(wù)4大任務(wù)模塊，其中前兩個任務(wù)模塊是單元型的，難度比較小，包含一到兩章的內(nèi)容，每個單元型任務(wù)由多個子任務(wù)構(gòu)成，每個子任務(wù)都針對不同的知識點，學(xué)生都可以在課堂上完成。第三個任務(wù)介于單元型任務(wù)和綜合型任務(wù)之間，每個任務(wù)由基本知識點和利用所學(xué)的基本知識去分析系統(tǒng)，研究各參數(shù)的變化對系統(tǒng)的影響。這些任務(wù)對于成績較好的學(xué)生不成問題，在課堂上能完成，對于成績稍差的學(xué)生通過查閱以往學(xué)過的知識點也能完成任務(wù)，只是所花的時間要多些，但經(jīng)過自己努力能完成任務(wù)，學(xué)生感到很有成就，覺得自己有潛力可挖，自信心大增。最后一個任務(wù)是綜合型、開放型的，任務(wù)的解決也有多個角度和多種方法。為了便于學(xué)生入手，任務(wù)分為4～5個子任務(wù)，各子任務(wù)難度逐層遞增，課堂上教師可以適當(dāng)?shù)刂v授任務(wù)要點，提示學(xué)生可能要用到哪些知識點，并鼓勵學(xué)生綜合應(yīng)用新舊知識，運用新思路、新方法創(chuàng)造性地完成任務(wù)，甚至提出有創(chuàng)新意義的新任務(wù)，完善任務(wù)體系。

下面是筆者設(shè)計的教學(xué)任務(wù)實例。

已知單位負反饋系統(tǒng)被控對象的傳遞函數(shù)為G(s)=K/(s2(0.2s+1))，試對系統(tǒng)進行超前串聯(lián)校正設(shè)計，使系統(tǒng)校正后滿足：(1)在單位加速度信號作用下的ess<0.1；(2)開環(huán)系統(tǒng)剪切頻率Wc>20 rad/s。不限定方法，只要滿足性能指標的要求即可。

任務(wù)給出后各組學(xué)生立即展開討論，進入了任務(wù)分析階段。有的說應(yīng)該采用bode圖設(shè)計法，有的說采用ltiview工具箱更直觀，有的說ltiview工具箱雖然直觀，但添加環(huán)節(jié)太麻煩，不如采用Rltool根軌跡設(shè)計工具方便，還有的學(xué)生說PD調(diào)節(jié)器也具有超前校正，也能用，在Simulink環(huán)境下也很直觀。有的說為什么限定超前校正？我要采用滯后校正試試。由于該任務(wù)要在課堂上完成，很快學(xué)生開始按各自的思路做起來，在書本上尋找自己需參考的知識點。大約10分鐘后就有學(xué)生舉手說做好了，該學(xué)生采用的是Rltool根軌跡設(shè)計工具憑借自己所掌握的添加零點和極點對系統(tǒng)性能的影響而試湊成一個超前環(huán)節(jié)(10s+1)/(0.001s+1)接入系統(tǒng)，能很好地滿足上述兩個指標，筆者表揚了他對理論知識學(xué)得很透徹，提示他思考有沒有更科學(xué)的方法。大約25分鐘后，除個別學(xué)生錯誤地采取滯后校正沒能順利完成，多數(shù)學(xué)生基本做好了，而且都能滿足要求。不管什么方法，只要做出來，筆者都會進行表揚，并讓他們演示一番，簡單討論一下優(yōu)點和不足，絕大多數(shù)學(xué)生都很有成就感，積極性得到提高。順勢筆者讓同學(xué)們課后思考一下本任務(wù)中教師為何限定采用超前校正，為什么采用滯后校正效果不太好，讓大家去體會超前矯正和滯后校正的特點以及各自的使用場合。以下是大多數(shù)學(xué)生采用bode圖設(shè)計法的解題過程。

(1)為滿足穩(wěn)態(tài)誤差ess<0.1，K必須小于等于10，取K=10計算

(2)先判別原系統(tǒng)Wc是否滿足要求

K=10;n1=[1];d1=conv([1 0 0],[0.2 1]);

s1=tf(K*n1,d1);f gure(1);margin(s1);hold on

f gure(2);sys=feedback(s1,1);step(sys)

從圖1可知Wc=2.94，不滿足要求，且系統(tǒng)階躍響應(yīng)呈發(fā)散狀態(tài)，不穩(wěn)定。

圖1

(3)計算超前校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)

K=10;n1=[1];d1=conv([1 0 0],[0.2 1]);

sope=tf(K*n1,d1);wc=20;

[Gc]=leadc(2,sope,[wc])

得到：

Transfer function:

8.246 s + 1

……

0.0003032 s + 1

(4)驗證校正后的系統(tǒng)是否滿足要求

圖2

K=10;n1=[1];d1=conv([1 0 0],[0.2 1]);

s1=tf(K*n1,d1);

n2=[8.246 1];d2=[0.00030321];s2=tf(n2,d2);

sys=s1*s2;

f gure(1);margin(sys);hold on f gure(2);sys=feedback (sys,1);step(sys)

從圖3可知Wc=20，滿足要求。

圖3

3 交流評價

交流評價與歸納是總結(jié)、反思與鞏固階段。學(xué)生各自完成任務(wù)后，立即組織交流，相互介紹完成任務(wù)的方法和手段，以及得到的結(jié)果。這樣做一方面提升學(xué)生的評價能力，另一方面可以使他們相互取長補短，開闊思路，鼓勵學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)新精神。評價可以采用自評，組內(nèi)互評，組間互評，教師點評等方式相結(jié)合，使評價做到公平、公正。

4 結(jié)束語

在Matlab控制系統(tǒng)仿真實踐教學(xué)中引入任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法，學(xué)生學(xué)習(xí)目標更明確，體現(xiàn)了學(xué)生學(xué)習(xí)主體地位。在探索解決問題的過程中融入教學(xué)任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生從實際問題出發(fā)、分析問題、解決問題的能力。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、能動性、創(chuàng)造性。在實施任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法的過程中還需不斷嘗試和創(chuàng)新，進一步改進，不斷提高教學(xué)效果。

[1] 李秀瀅,王建新,彭靜.Matlab教學(xué)中任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)法的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2010,32(2):104-113.

[2] 汪洋.基于Matlab教學(xué)平臺的自動控制原理教學(xué)改革研究[J].臺州學(xué)院學(xué)報,2011,33(3):76-80.

[3] 伍星,郝惠娣,翟惠榮,齊智濤.淺談現(xiàn)代控制系統(tǒng)課程中的Matlab教學(xué)[J].高等理科教育,2003,51:43-47.

[4] 曾輝雄,葉春生,莫健華,樊自田.基于Matlab的伺服壓力機控制系統(tǒng)仿真研究[J].鍛壓技術(shù),2010,35(5):69-75.

[5] 郭紹青.任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法的內(nèi)涵[J].中國電化教育,2006,7:57-59.

[6] 黃忠霖.控制系統(tǒng)Matlab計算及仿真[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

Reform of the teaching method for Matlab and control system simulation based on task-driven

Wu Aiping
Nanjing institute of technology, Nanjing, 211167, China

2012-02-06

吳愛萍，碩士，副教授。

南京工程學(xué)院高等教育研究課題(編號：GY201122)和南京工程學(xué)院教改項目(編號：JG201118)。