軟件工具在高職自動控制課程教學(xué)中的應(yīng)用探析

【摘要】自動控制課程在高等職業(yè)教育人才培養(yǎng)課程體系中具有不可替代的重要作用。目前自動控制課程所采用的教學(xué)手段存在著很多亟待解決的現(xiàn)實問題，不能夠完成適應(yīng)應(yīng)用型高技能專門人才的培養(yǎng)需求。因此，針對自動控制課程在高等職業(yè)教育人才培養(yǎng)課程體系中教學(xué)方法和手段作了初步的探討，以及Matlab軟件工具在教學(xué)過程中的意義做了詳細(xì)的分析，分析了自動控制課程的特點以及高職學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，對課程中采用的組態(tài)軟件以及Matlab進(jìn)行了應(yīng)用分析探索，結(jié)論表明軟件工具的應(yīng)用對于提升高職自動控制課程的教學(xué)效果具有重要的意義。

【關(guān)鍵詞】自動控制；高職；課程；軟件工具；應(yīng)用

1.引言

隨著高等職業(yè)教育教學(xué)改革的不斷深入，以任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)模式有效地提升了教學(xué)的效果，在教學(xué)改革中淡化了理論的推導(dǎo)以及論證，突出了對于學(xué)生專業(yè)能力的培養(yǎng)，取得了較高的效果。但是基于自動控制課程的特點以及高職學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，控制系統(tǒng)的實際對象如果不能夠直接呈現(xiàn)在學(xué)生面前，學(xué)生不能夠獲得直接的認(rèn)知，因此也就無法形成對于控制系統(tǒng)的直觀概念。目前由于各方面因素的制約，高職自動化教學(xué)設(shè)備數(shù)量較少，不能夠完全滿足教學(xué)的實踐要求。同時由于自動控制技術(shù)發(fā)展迅速，控制設(shè)備快速更新，完全依靠設(shè)計設(shè)備的購置進(jìn)行實踐教學(xué)也存在許多現(xiàn)實問題。因此充分借助于軟件技術(shù)，呈現(xiàn)軟件化的控制系統(tǒng)給學(xué)生提供實際的教學(xué)對象，對于項目引導(dǎo)的教學(xué)效果的提升具有十分重要的意義。

2.軟件技術(shù)在自動控制教學(xué)中應(yīng)用概述

軟件技術(shù)在教學(xué)中一般都應(yīng)用于理論性較強(qiáng)，知識較為抽象的專業(yè)課程。例如在電路基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)中采用“Muhisim”、“Protues”等仿真軟件對電路的性能、參數(shù)以及工作特性進(jìn)行直觀的分析，學(xué)生可以通過軟件技術(shù)認(rèn)識電路的結(jié)構(gòu)、可以通過虛擬的儀表（操作與實際器件、儀表相同）對電路進(jìn)行測試，對于學(xué)生進(jìn)行理論知識的直觀理解具有較大的幫助，軟件技術(shù)在教學(xué)過程中的引入對于有效克服高職類學(xué)生抽象思維能力較差的缺陷，改善課程的教學(xué)、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性與積極性具有重要的幫助。

自動控制課程采用的軟件要能夠符合課程本身的特點，能夠?qū)⒆詣涌刂葡到y(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)原理等呈現(xiàn)在學(xué)生面前，同時軟件的使用難度不能過高，要具有良好的用戶界面，軟件的操作難度符合高職類學(xué)生的知識能力。

在高職自動化專業(yè)教學(xué)中，自動控制課程主要如《自動控制原理》類的控制理論課程，課程主要是分析控制系統(tǒng)的基本概念、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以及時域、變換域的分析方法、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及校正等方面的知識。其課程的特點是計算難度較大，對于學(xué)生的高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)具有很高的要求。在高職教學(xué)過程中，此類課程主要是能夠使得學(xué)生理解控制系統(tǒng)的基本概念，能夠根據(jù)系統(tǒng)的要求建立正確的傳遞函數(shù)，理解控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性的控制方案，具體微分方程的求解、數(shù)值分析等方面的計算等知識則不是重點要求。因此借助于MATLAB軟件能夠有效減小控制系統(tǒng)求解中的相關(guān)計算，使得學(xué)生能夠?qū)刂评碚?、控制系統(tǒng)具有全面的掌握，而不拘泥于大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算。MATLAB具有良好的工作界面，具有用專業(yè)的控制系統(tǒng)分析和設(shè)計的工具箱，整體操作較為簡單，其內(nèi)部具有的豐富庫函數(shù)的直接調(diào)用對于學(xué)生將抽象枯燥的理論課堂變得生動有趣，提升學(xué)習(xí)興趣具有重要的幫助。

與控制類理論課程不同，《過程控制系統(tǒng)》、《電氣控制與PLC控制技術(shù)》等專業(yè)課程則更側(cè)重工程型，強(qiáng)調(diào)高職學(xué)生的專業(yè)能力的養(yǎng)成。因此在教學(xué)過程中需要采用合適的項目作為教學(xué)的載體，需要引入現(xiàn)場控制工程的案例。因此選用組態(tài)軟件就可以實現(xiàn)將現(xiàn)場的設(shè)備“搬進(jìn)”實驗室來，可以實現(xiàn)通過參數(shù)進(jìn)行控制系統(tǒng)的調(diào)整，能夠反應(yīng)相應(yīng)的動作、曲線以及實時數(shù)據(jù)，這樣學(xué)生就能夠?qū)嶋H控制系統(tǒng)具有直觀的掌握。組態(tài)軟件集成了圖形技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)，在進(jìn)行控制工程系統(tǒng)設(shè)計的時候不需要進(jìn)行程序的編寫，而是通過模塊化的組態(tài)方式實現(xiàn)控制程序的設(shè)計，軟件的特點也符合高職學(xué)生的特征。

3.MATLAB軟件在教學(xué)過程中應(yīng)用舉例

Matlab軟件在自動控制類理論課程中的應(yīng)用不僅僅是求解數(shù)學(xué)模型，較小計算量，應(yīng)用軟件可以幫助學(xué)生理解物理對象、數(shù)學(xué)模型之間的聯(lián)系，理解理論推導(dǎo)與實際參數(shù)修改之間的關(guān)系，建立系統(tǒng)分析的基本思路。如控制系統(tǒng)的根軌跡是開環(huán)系統(tǒng)某一參數(shù)從零變化到無窮大時，閉環(huán)系統(tǒng)特征根在s平面上變化的軌跡，根軌跡能夠反應(yīng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性能，但是在實際控制系統(tǒng)中描述根軌跡難度較大，學(xué)生也不能對根軌跡進(jìn)行全面的理解。因此在軟件技術(shù)的幫助下，教師首先闡述根軌跡的含義與本質(zhì)屬性，分析根軌跡與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的關(guān)系，再應(yīng)用Matlab軟件對系統(tǒng)的根軌跡進(jìn)行繪制，學(xué)生就能夠正確掌握根軌跡的內(nèi)容，形成控制系統(tǒng)分析的基本思路。設(shè)某開環(huán)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

（1）

是求取系統(tǒng)根軌跡的Matlab程序為：

%MATLABPROGRAM1-1num=[010.8760]；den=[1-1.25430.2543]；den=[1-1.25430.2543]；rlocus（num，den）；grid；v=[-42-33]axis（v）；end。繪制完成的根軌跡如圖1所示：

圖1 某離散控制系統(tǒng)的跟軌跡圖

4.組態(tài)軟件在教學(xué)過程中應(yīng)用舉例

組態(tài)軟件應(yīng)用強(qiáng)大的組態(tài)模塊可以實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場控制的實物呈現(xiàn)。在教學(xué)過程中首先根據(jù)教學(xué)的內(nèi)容選擇合理的控制系統(tǒng)，對控制系統(tǒng)的實際需要、需要完成的任務(wù)、控制流程以及控制系統(tǒng)中的性能要求進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用組態(tài)軟件進(jìn)行工程項目的建立與模擬?；诮M態(tài)軟件實現(xiàn)控制項目的建設(shè)和運(yùn)行，能夠模擬工程情境，靈活調(diào)試工作情境，也能展示控制效果，這種教學(xué)手段不僅形象化了教學(xué)內(nèi)容，對學(xué)生而言。對知識的掌握和理解、職業(yè)技能的提升也有幫助。以水位自動控制系統(tǒng)為例，就要在進(jìn)行整體規(guī)劃系統(tǒng)由五大窗口組成。總共建立了二個用戶窗口，四個主菜單，分別作為水位控制、報警顯示、曲線顯示、數(shù)據(jù)顯示，構(gòu)成了樣例工程的基本骨架。選用“模擬設(shè)備”及策略構(gòu)件箱中的“腳本程序”功能構(gòu)件，設(shè)置構(gòu)件的屬性，編制控制程序，實現(xiàn)水位、水泵、調(diào)節(jié)閥和出水閥的有效控制。通過組態(tài)軟件提供的各類構(gòu)件實現(xiàn)下述功能：歷史曲線：選用歷史曲線構(gòu)件實現(xiàn)；歷史數(shù)據(jù)：選用歷史表格構(gòu)件實現(xiàn)；報警顯示：選用報警顯示構(gòu)件實現(xiàn)；工程報表：歷史數(shù)據(jù)選用存盤數(shù)據(jù)瀏覽策略構(gòu)件實現(xiàn)，報警歷史數(shù)據(jù)選用報警信息瀏覽策略構(gòu)件實現(xiàn)，實時報表選用自由表格構(gòu)件實現(xiàn)，歷史報表選用歷史表格構(gòu)件實現(xiàn)。最終完成的水位控制界面以及工作效果監(jiān)測如圖2所示。

圖2 水位控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件實現(xiàn)

5.總結(jié)

高職類自動化專業(yè)人才培養(yǎng)過程中，自動控制類課程具有難度較大、學(xué)習(xí)內(nèi)容較為抽象等方面的特點，同時高職學(xué)校的學(xué)生對于理論知識（尤其是較為抽象的理論知識）的學(xué)習(xí)具有一定的難度。因此直觀化的教學(xué)對象對于學(xué)生的學(xué)習(xí)具有重要的意義。自動控制類教學(xué)設(shè)備價格昂貴，更新速度較快，全部應(yīng)用實體化的教學(xué)設(shè)備進(jìn)行教學(xué)目前尚具有一定的難度，因此采用將計算機(jī)軟件技術(shù)有效地融入到教學(xué)過程中去，對提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、優(yōu)化教學(xué)方案具有重要的作用。Matlab軟件強(qiáng)大的計算分析能力、系統(tǒng)分析能力對于學(xué)生進(jìn)行控制系統(tǒng)理論、思維方式的形成具有重要的意義；而組態(tài)軟件應(yīng)用已有的組態(tài)實現(xiàn)工程化場景的重現(xiàn)，對于學(xué)生對實際工程系統(tǒng)建立步驟，分析等具有重要的意義。實踐教學(xué)證明，這兩種軟件對于高職類學(xué)生進(jìn)行自動控制課程的學(xué)習(xí)具有重要的幫助，學(xué)生職業(yè)能力有所提高。

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作者簡介：邵宏文（1963—），男，上海人，南京高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校電氣工程系講師，研究方向：電工電子類的教學(xué)。