基于Matlab的現(xiàn)代控制理論教學(xué)改革研究＊

韓娜妮,鄭耐琴,徐秀妮

（隴東學(xué)院電氣工程學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng) 745000）

現(xiàn)代控制理論是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的核心課程，按照工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證及新版人才培養(yǎng)方案的要求，通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該掌握基礎(chǔ)的控制理論，并且具有分析、設(shè)計(jì)實(shí)際復(fù)雜控制系統(tǒng)的能力[1]。因此，在該課程的教學(xué)過(guò)程中，不僅要傳授理論知識(shí)，更要注重培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新意識(shí)。

Matlab是由美國(guó)The mathworks 公司于1984年推出的一種科學(xué)與工程計(jì)算語(yǔ)言，其廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、信號(hào)分析、航天工業(yè)及語(yǔ)音處理等行業(yè)[2]。Matlab程序語(yǔ)言簡(jiǎn)單易用，代碼短小高效，并且擁有出色的圖形處理能力及強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真功能。目前，Matlab已成為一種具有廣泛應(yīng)用前景的計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語(yǔ)言，而自動(dòng)控制則是其最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。

利用Matlab進(jìn)行現(xiàn)代控制理論教學(xué)，特別是Simulink圖形交互式仿真環(huán)境，不僅可以解決硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的困難，而且還能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，并且可供學(xué)生在課后進(jìn)行自主性和探索性的學(xué)習(xí)，以提高學(xué)生分析和設(shè)計(jì)實(shí)際復(fù)雜控制系統(tǒng)的能力。

1 傳統(tǒng)教學(xué)存在的問(wèn)題

由于現(xiàn)代控制理論具有理論性強(qiáng)和內(nèi)容抽象的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)的理論教學(xué)中，講課重點(diǎn)通常落實(shí)在理論知識(shí)、概念和公式推導(dǎo)上，學(xué)生難以長(zhǎng)時(shí)間注意力集中，課堂學(xué)習(xí)枯燥乏味，同時(shí)也忽視了對(duì)學(xué)生工程實(shí)踐能力的引導(dǎo)與培養(yǎng)，從而很難將現(xiàn)代控制理論應(yīng)用于實(shí)際工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，難以提高復(fù)雜工程問(wèn)題的分析和解決能力。并且現(xiàn)有教材復(fù)雜工程示例較少，難以體現(xiàn)現(xiàn)代控制理論在分析和設(shè)計(jì)復(fù)雜工程控制問(wèn)題的優(yōu)越性[3]。

在傳統(tǒng)現(xiàn)代控制理論實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，大部分的實(shí)驗(yàn)都是對(duì)理論的簡(jiǎn)單驗(yàn)證，缺乏復(fù)雜控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)實(shí)例。

在現(xiàn)代控制理論教學(xué)過(guò)程中引入Matlab軟件具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)[4]。首先，軟件仿真可以變抽象為具體，直觀性、趣味性強(qiáng)，可以使得枯燥無(wú)味的被動(dòng)接受變成形象直觀、有趣的實(shí)踐，學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解更加到位；其次，通過(guò)軟件仿真學(xué)習(xí)，學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)可以不受時(shí)間和空間的限制；最后，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限的情況下，通過(guò)軟件進(jìn)行理論驗(yàn)證、系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)，最大限度的培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜控制系統(tǒng)的能力。

2 Matlab在現(xiàn)代控制理論教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 基于Matlab的教學(xué)思路

按照工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的基本要求，現(xiàn)代控制理論課程借鑒任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法和項(xiàng)目教學(xué)法，提出基于“項(xiàng)目引導(dǎo)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的現(xiàn)代控制理論教學(xué)模式，實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體化教學(xué)設(shè)計(jì)[5]。整體教學(xué)思路包括“項(xiàng)目導(dǎo)入”、“信息收集”、“制定計(jì)劃”、“實(shí)施計(jì)劃”、及“展示和評(píng)價(jià)”，具體如圖1所示，其中，Matlab軟件仿真貫穿始終，融入每一個(gè)階段中。

圖1 課程整體教學(xué)思路

首先，在“項(xiàng)目導(dǎo)入”階段，由教師擬出數(shù)個(gè)和實(shí)際工程問(wèn)題相關(guān)的項(xiàng)目，與學(xué)生討論，確定在Matlab中可實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目目標(biāo)和任務(wù)；接著針對(duì)每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，利用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識(shí)，進(jìn)行信息收集，包括在Matlab中對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證[6]；然后學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)、小組協(xié)作學(xué)習(xí)等方式，對(duì)該項(xiàng)目的任務(wù)目標(biāo)進(jìn)行分析，充分應(yīng)用已掌握的前序理論知識(shí)和Matlab知識(shí)，確定任務(wù)的實(shí)施步驟，為任務(wù)的實(shí)施做好充分的準(zhǔn)備；在“實(shí)施計(jì)劃”環(huán)節(jié)，項(xiàng)目小組按照既定工作步驟和程序工作，通過(guò)利用仿真軟件，分析、設(shè)計(jì)實(shí)際工程項(xiàng)目；最后，學(xué)生利用仿真軟件展示自己的項(xiàng)目成果，接受他人的評(píng)價(jià)和教師的反饋。該方案需要通過(guò)定期評(píng)價(jià)和反饋對(duì)實(shí)施效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題不斷完善。

2.2 實(shí)例舉證

文章以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多移動(dòng)傳感器的編隊(duì)控制為例，進(jìn)行現(xiàn)代控制理論課程的綜合改革。具體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示，要求建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)編隊(duì)控制協(xié)議并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以實(shí)現(xiàn)分布式編隊(duì)控制[7]。

圖2 多移動(dòng)傳感器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

該教學(xué)項(xiàng)目涵蓋了系統(tǒng)模型的建立及轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)穩(wěn)定性及可控、可觀測(cè)性分析和控制器的設(shè)計(jì)等知識(shí)點(diǎn)，將理論課程中碎片化的知識(shí)點(diǎn)構(gòu)建成相對(duì)完善的知識(shí)體系，綜合性強(qiáng)。利用Matlab軟件能直觀的反映出系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的結(jié)果，有利于學(xué)生掌握現(xiàn)代控制理論在復(fù)雜系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。按照?qǐng)D1所示的教學(xué)思路，具體的課程實(shí)施計(jì)劃見(jiàn)表1。

表1 項(xiàng)目實(shí)施表

具體實(shí)施的結(jié)果如下：

在目前可查找的資料中，常見(jiàn)的多移動(dòng)傳感器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型有一階模型、二階模型及高階模型，為考慮一般性，引導(dǎo)學(xué)生建立高階的動(dòng)態(tài)模型，其描述為

在設(shè)計(jì)分布式編隊(duì)控制協(xié)議時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生建立如下的控制協(xié)議

運(yùn)行的結(jié)果以圖形形式呈現(xiàn)，其中圖3為誤差系統(tǒng)狀態(tài)曲線，表明系統(tǒng)穩(wěn)定。圖4為多智能體系統(tǒng)狀態(tài)曲線，表明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)先設(shè)計(jì)的編隊(duì)。

圖3 誤差狀態(tài)曲線

圖4 多智能體狀態(tài)曲線圖

3 結(jié)束語(yǔ)

將Matlab引入到現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)中，不僅可以對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，使學(xué)生進(jìn)一步理解、掌握理論知識(shí)，還可以在實(shí)驗(yàn)資源有限的情況下，最大限度的提高學(xué)生分析、設(shè)計(jì)復(fù)雜控制系統(tǒng)的能力，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題和自主創(chuàng)新的能力。但在課程教學(xué)過(guò)程中，如何設(shè)計(jì)適合的系統(tǒng)案例以及如何將理論內(nèi)容完整的融入到系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)中，仍是需要進(jìn)一步考慮的問(wèn)題。