自動(dòng)控制理論與Matlab軟件相結(jié)合的教學(xué)研究

馬玉龍何 鳳.桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院　廣西桂林　54004.西南民族大學(xué)藝術(shù)學(xué)院　四川成都　605

自動(dòng)控制理論與Matlab軟件相結(jié)合的教學(xué)研究

馬玉龍1何 鳳2
1.桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院廣西桂林541004
2.西南民族大學(xué)藝術(shù)學(xué)院四川成都610225

自動(dòng)控制理論是高等學(xué)校自動(dòng)化、電氣控制、機(jī)電一體化等專業(yè)非常重要的基礎(chǔ)課程。針對(duì)目前該課程在教學(xué)中單一板書教學(xué)存在的問(wèn)題，提出了將控制理論課程教學(xué)與Matlab軟件相結(jié)合的教學(xué)改革思路。首先分析了自動(dòng)控制理論課程的特點(diǎn)及教學(xué)存在問(wèn)題，然后介紹了Matlab軟件的特點(diǎn)和功用，最后分析并用教學(xué)實(shí)踐例證了該教學(xué)改革思路的可行性。

自動(dòng)控制理論；Matlab/Simulink；教學(xué)改革12

自動(dòng)控制理論課程是自動(dòng)化、電氣控制、機(jī)電一體化等專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)、航空航天及科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求越來(lái)越高，從而推動(dòng)了自動(dòng)控制理論的迅速發(fā)展。

1　自動(dòng)控制理論課程特點(diǎn)及教學(xué)存在問(wèn)題

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，推動(dòng)了自動(dòng)控制理論和技術(shù)的迅速發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、航空航天、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸?shù)葒?guó)計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域。自動(dòng)控制理論課程是自動(dòng)化專業(yè)以及相關(guān)專業(yè)本科生的一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程以高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)以及電路分析等課程為基礎(chǔ)背景，其教學(xué)影響著專業(yè)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。

自動(dòng)控制理論[1]課程數(shù)學(xué)知識(shí)含量大，其理論推導(dǎo)以及結(jié)果繁雜難，晦澀難懂，而且采用的傳統(tǒng)教學(xué)手段——單一板書教學(xué)。學(xué)生經(jīng)常要耗費(fèi)巨大的精力在計(jì)算公式的熟練，以便理解和鞏固教學(xué)內(nèi)容，注重理論推導(dǎo)卻忽略變換過(guò)程的本質(zhì)，導(dǎo)致工程概念薄弱，使得課程培養(yǎng)學(xué)生素質(zhì)能力的目標(biāo)偏置，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性降低。

2　課堂教學(xué)改革分析

教學(xué)首先面對(duì)的是學(xué)生，因此要了解學(xué)生的心理，尤其是學(xué)習(xí)心理?，F(xiàn)在的學(xué)生對(duì)于感官的刺激要求非常之高，單靠板書來(lái)教學(xué)已經(jīng)難以在吸引學(xué)生的注意力。其次教育要面向現(xiàn)代化，面向未來(lái)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用已深入到各個(gè)領(lǐng)域，因而課堂教學(xué)必須跟上時(shí)代潮流，與時(shí)俱進(jìn)，不能墨守成規(guī)，充分利用現(xiàn)代化技術(shù)手段進(jìn)行教學(xué)改革，提高教學(xué)效率與效果。

2.1matlab語(yǔ)言介紹[2，3]

Matlab為“矩陣實(shí)驗(yàn)室(MATrixLABoratoy)”英文簡(jiǎn)稱，是美國(guó)Mathworks公司推出的集通用科學(xué)計(jì)算、圖形交互、系統(tǒng)控制和程序語(yǔ)言設(shè)計(jì)為一體的軟件。在計(jì)算機(jī)輔助分析設(shè)計(jì)、仿真、數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域，為當(dāng)今科技領(lǐng)域優(yōu)秀應(yīng)用軟件之一。Matlab編程靈活、高效，是一種既可交互使用又能解釋執(zhí)行的高級(jí)語(yǔ)言，簡(jiǎn)單易學(xué)，具有可靠的數(shù)值、符號(hào)運(yùn)算能力和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化功能；matlab還包括許多專業(yè)性較強(qiáng)的工具包并與其他高級(jí)語(yǔ)言有接口，已經(jīng)成為應(yīng)用學(xué)科計(jì)算機(jī)輔助分析、設(shè)計(jì)、仿真不可缺少的基礎(chǔ)軟件。在國(guó)外高校，已經(jīng)成為自動(dòng)控制理論、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理等課程的基本教學(xué)工具。

2.2自動(dòng)控制理論教學(xué)中適合Matlab輔助教學(xué)的特點(diǎn)

(1)在控制理論及控制系統(tǒng)里經(jīng)常遇到計(jì)算課題，如矩陣運(yùn)算，復(fù)數(shù)運(yùn)算，求解微分方程，數(shù)值運(yùn)算，最優(yōu)化控制方法等等，計(jì)算復(fù)雜而且難以得到精確解析。Matlab運(yùn)算能力強(qiáng)大，提供強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能，這些都是Matlb計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，就這一點(diǎn)就已經(jīng)與自動(dòng)控制密切聯(lián)系在一起。

(2)控制理論的發(fā)展及技術(shù)的應(yīng)用，使得自動(dòng)控制的概念遍及生產(chǎn)生活的方方面面，包括專家系統(tǒng)、智能控制理論及系統(tǒng)。Matlab提供強(qiáng)大的工具箱，包括世界上從事控制的專家開發(fā)的具有特殊功能應(yīng)用的工具箱，已成為自動(dòng)控制計(jì)算與仿真的強(qiáng)有力工具。

(3)控制理論隨科技發(fā)展仍在不斷的擴(kuò)充發(fā)展，新的前沿理論與技術(shù)仍不斷地完善突破。Matlab也提供了內(nèi)容豐富和強(qiáng)大的擴(kuò)充能力，使用者可以為實(shí)現(xiàn)新功能或特殊功能開發(fā)編制軟件程序并將其發(fā)布。

(4)自動(dòng)控制本身就是深?yuàn)W難懂的理論，其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的研究要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。Matlab語(yǔ)言具有語(yǔ)句簡(jiǎn)單，極其容易學(xué)習(xí)與使用，掌握方便的特點(diǎn)，是一個(gè)理想的工具。

(5)自動(dòng)控制理論的學(xué)習(xí)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)需要對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和可視化，處理方法和手段也多樣。Matlab具有強(qiáng)大的繪圖功能，可以輕而易舉完成重復(fù)、煩瑣的計(jì)算與繪圖，且數(shù)據(jù)計(jì)算準(zhǔn)確，圖形繪制精確完美，適合從事控制專業(yè)的人使用。

3　教學(xué)改革內(nèi)容實(shí)踐及例證

在教學(xué)中，如果將Matlab 語(yǔ)言和自動(dòng)控制理論教學(xué)有機(jī)無(wú)縫地結(jié)合起來(lái)，既降低了自動(dòng)控制理論的抽象性，增加了教學(xué)的趣味性，又讓學(xué)生在課堂教學(xué)中輕松學(xué)會(huì)使用Matlab編程工具，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力。在此我們只以教學(xué)實(shí)踐中自動(dòng)控制理論幾個(gè)典型的例子來(lái)例證改革內(nèi)容及效果。

3.1課堂教學(xué)——系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及性能指標(biāo)

圖1為二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能及性能指標(biāo)，從圖中我們可以看到對(duì)于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有很多的指標(biāo)來(lái)做評(píng)價(jià)，且指標(biāo)的定義及計(jì)算公式也很煩瑣。如果利用Matlab就可以動(dòng)畫來(lái)演示各個(gè)指標(biāo)的計(jì)算及意義，使得課堂教學(xué)內(nèi)容一目了然，且生動(dòng)有趣。還可以改變系統(tǒng)的參數(shù)來(lái)演示不同系統(tǒng)的指標(biāo)變化，從而加深對(duì)指標(biāo)及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的理解記憶，以達(dá)到提高教學(xué)效率的目的。

課后給學(xué)生布置一些習(xí)題，讓學(xué)生利用Matlab進(jìn)行處理，以此培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的能力。

3.2實(shí)驗(yàn)教學(xué)——控制系統(tǒng)的bode圖

在自動(dòng)控制理論課程教學(xué)中，一個(gè)不容忽視的重要環(huán)節(jié)——實(shí)驗(yàn)課，可使學(xué)生通過(guò)課程實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)動(dòng)手能力，能更好地理解和掌握課程內(nèi)容。現(xiàn)有的硬件實(shí)驗(yàn)存在局限性，淡化軟硬件實(shí)驗(yàn)的區(qū)別，充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，突破課程實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容限制，增加設(shè)計(jì)性、工程性和綜合性實(shí)驗(yàn)，采用虛擬實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)效率，培養(yǎng)學(xué)生的科研、工程素質(zhì)和開拓創(chuàng)新意識(shí)。

圖1　二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能及性能指標(biāo)

以教學(xué)實(shí)例來(lái)證明。由于Matlab有專門的bode圖繪圖函數(shù)，很簡(jiǎn)單就可以完成，且可以繪制幾個(gè)系統(tǒng)的bode圖進(jìn)行比較來(lái)理解系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)特性的影響，圖示效果很好。

為了能夠求解，學(xué)生需要進(jìn)行理論推導(dǎo)穩(wěn)定裕度γmax與增益K的關(guān)系，然后利用Matlab對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和求解，并作圖演示結(jié)果，結(jié)果如圖2所示。

圖2　 系統(tǒng)bode圖分析及最大穩(wěn)定裕度γmax時(shí)增益K

Matlab中的TOOLBOX工具箱及SIMULINK集成仿真環(huán)境是對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真的優(yōu)良平臺(tái)和環(huán)境。利用Matlab中的TOOLBOX以及SIMULINK進(jìn)行系統(tǒng)仿真，讓學(xué)生進(jìn)行課題設(shè)計(jì)，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)其借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的能力。

4　結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)在教學(xué)課時(shí)被大量縮減，教學(xué)內(nèi)容要在更短的時(shí)間內(nèi)講授，對(duì)于課堂教學(xué)的改革勢(shì)在必行。使學(xué)生在有限的課堂時(shí)間能掌握盡可能多的知識(shí)和技能，優(yōu)化學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)、能力結(jié)構(gòu)和素質(zhì)結(jié)構(gòu)就必然成為教學(xué)改革重點(diǎn)。在自動(dòng)控制理論教學(xué)過(guò)程中，針對(duì)自動(dòng)控制理論課程內(nèi)容的特點(diǎn)，使學(xué)生明確分析目的，抓住重點(diǎn)和核心內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)控制、物理和工程概念的統(tǒng)一，充分培養(yǎng)學(xué)生利用自動(dòng)控制理論分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。將Matlab和自動(dòng)控制理論相結(jié)合進(jìn)行課堂教學(xué)改革實(shí)踐，一方面豐富教學(xué)內(nèi)容、增強(qiáng)課堂教學(xué)的趣味性，讓學(xué)生直觀地理解和領(lǐng)會(huì)控制理論，提高其學(xué)習(xí)興趣和積極性；另一方面利用Matlab對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)與仿真，使學(xué)生加深對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解，增強(qiáng)其動(dòng)手能力，提高其實(shí)際工程設(shè)計(jì)能力。

[1] 胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1999.

[2] 張志涌.精通Matlab6.5版[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[3] 薛定宇.控制系統(tǒng)仿真與計(jì)算機(jī)輔助分析[M].第二版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4] 楊夷梅，楊玉軍.Matlab教學(xué)中的方法與實(shí)踐[J].中國(guó)電力教育，2008，12(3):59-60.

[5] 平怡.Matlab在大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].湖北廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(4):135-136.

[6] 王冬梅，劉帥師，黃艷秋.現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)改革探索[J].長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):高教研究版，2011(3):50-51.

[7] 潘矜矜，楊小勁.Matlab與《信號(hào)與系統(tǒng)》課程教學(xué)改革的探討[J].福建電腦，2009(2):206-207.

[8] 黨宏社.控制系統(tǒng)仿真[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

Study on Teaching of Automatic Control Theory Combined with thematlab Software

Ma Yulong， He Feng
1.Guilin University of Technology， Guilin， 541004， China；
2. Southwest University for Nationalities， Chengdu， 610225， China

，Automatic Control Theory is a very important foundation course tomany professions such as automation， electrical control，mechanical and electrical integration. According to the problem of the course still used the single form of blackboard in current teaching， this paper proposes a new reform thought that combination of control theory curriculum teaching withmatlab software in teaching. The article first analyzes the characteristicsof Automatic Control Theory and the problems in actual teaching， then introduces the features and functions ofmatlab software，and finally analysis and exemplify the feasibility of this teaching reform idea in teaching practice.

automatic control theory；matlab/Simulink； teaching reform

2014-12-23

馬玉龍，博士，講師。

廣西高等教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目(編號(hào)：2012JGB148)。