基于MATLAB教学平台的

基于MATLAB教学平台的自动控制理论教学改革探索 曹建云（南通大学自动化系，江苏南通226007）摘要：本文分析了自动控制理论课程的特点和传统教学模式中存在的问题，讨论了控制系统仿真软件MATLAB在控制理论课程教学中的应用和由此带来的改革效应，并在教学过程中进行了实践探索。关键词：自动控制MATLAB教学改革TeachingInnovationofAutomaticControlTheoryBasedonMATLABPlatformCAOJianyun(NantongUniversity,Nantong226007,China)Abstract:Inthispaper,characterofautomaticcontroltheoryisanalyzed,aswellasdisadvantagesoftraditionalteachingmeasure.Alongwiththeassociatedinnovationeffectivenessinautomaticcontroltheoryteaching,applicationofcontrolsystemsimulationsoftwareMATLABiselaboratedandvalidatedduringteachingprocess.Keywords:AutomaticControlTheory,MATLAB,TeachingInnovation1引言自动控制理论是自动化专业的主干课程之一，作为一门学科，其主要研究对象是自动控制系统，研究的中心问题是系统在控制过程中的性能。本课程强调方法论，理论性强，可以为学生从事各种实际控制系统的分析、设计提供理论工具，是学习后续课程的不可或缺的理论基础。并且自动控制理论也是电子信息工程、机电工程等工科专业的必修课，对一个大口径专业而言，具有向各个方向辐射的作用。而在控制领域，MATLAB是控制系统计算机辅助分析与设计的一个卓越平台。它为控制理论系列课的教学提供了一个连续的、有实用价值的工具，系列课中的系统仿真和模糊控制、神经网络等智能控制课程均可在这个平台上进行教学改革，将MATLAB应用于自动控制理论课程的教学更是有其现实的重要意义。2自动控制理论课程的特点分析及教学状况中存在的问题2.1自动控制理论课程的特点自动控制理论作为自动化专业学生从基础课到专业课过渡的首开专业基础课之一，理论性强，所涉及的数学基础比较广泛；抽象概念多，并且对先修课程如电路等也有一定要求。因此学生感到难学，教师觉得难教，教学过程容易枯燥。其特点大致总结如下：涉及知识面广、理论知识多 自动控制理论课程涉及的知识与其控制对象的性质有关。一般而言，受控对象十分广泛，触及人类活动的各个方面，如，天文观测、航天航空、军事、工业、农业等，涉及的知识大 多可归纳为物理、化学及工程方面的内容。此外，在讨论控制对象的数学模型和分析其作者简介：曹建云（1972－），女，江苏南通人，南通大学（原南通工学院）自动化系讲师，硕士，主要研究方向为非线性系统控制、神经网络控制。性能时，还需要大量的作为工具的数学知识。如：拉氏变换、微分方程、复变函数理论、Z变换等。数学中，由于学生缺乏这些准备知识，如果教师不能提出恰当的要求，并采取适当的教学处理方法，这些工具性知识不仅不能为学生学好自动控制原理这门课程提供帮助，反而会成为学生学习的障碍，甚至造成学生学习上的畏难情绪，影响教学效果。新概念、新方法多由于课程涉及的研究对象是大量具体的自动控制装置及过程，为了建立其理论，需要定义的概念多。课程一开始就涉及到大量新概念，如：受控对象、被控量、测量、反馈、负反馈等，其中某些概念还是容易混淆的。在处理方法上，同一问题往往使用多种方法。如：数学模型可以是微分方程、传递函数、结构图；分析方法可以用时域法、根轨迹法、频率特性法；系统稳定性可以用赫尔维茨判据、奈奎斯特判据及极点位置等来判断。这些都会造成学生理解上的混乱和学习中的困难。3)应用性强由于自动控制理论课程的研究对象为实际的自动控制系统，探讨的是控制过程的性能及其规律性，其理论具有很强的应用性，具有明显的理论性和工程性，与基础课程相比在研究方法和学习方法方面都有较大的区别。这一点造成了教学上的思维障碍，需要教师的及时引导，克服学生在基础课学习中形成的思维定势。2.2传统教学过程中存在的问题由于自动控制理论课程的上述特点，也造成了教学过程中一定的困难：1）抽象的理论概念多，推理多在数学体系下进行，而物理概念、工程概念相对较少，学生学习的难度较大，不容易有学习兴趣，教学过程易枯燥；辅助教学工具多停留在形式化上如课件、多媒体等，对传统的理论教学体系、教学内容等改革的难度就很大；在强调面向实际、面向应用的新的教育思想下，在学生面对就业压力不断加大、实用技术型知识的短平快效益不断倍增的形式下，理论课教学的难度也越来越大；在传统理论课的理论体系中，对最开始的概述部分，讲少了学生对课程在专业中的位置、重要意义、内容体系等认识不清，讲多了学生接受不了，而在课程的最后往往又没有综述部分将前面的内容有机联系起来，学生学完了往往不能将前面的内容按系统的思维方式串联起来，不知道前面介绍的几类方法各有什么特点、什么情况下使用。因此，传统教学模式亟待改革。3MATLAB教学平台的引入与教学改革的实施3.1MATLAB教学平台的引入MATLAB语言是当今国际上科学界(尤其是自动控制领域)最具影响力、也是最有活力的软件之一。它起源于矩阵运算，并已经发展成一种高度集成的计算机语言。它提供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、便捷的与其他程序和语言接口的功能。目前，MATLAB已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具。现在的MATLAB已经不仅仅是一个“矩阵实验室”了，它已经成为了一种具有广泛应用前景的全新的计算机高级编程语言了,有人称它为“第四代”计算机语言，它在国内外高校和研究部门正扮演着重要的角色。MATLAB语言的功能也越来越强大，不断适应新的要求提出新的解决方法。在科学运算、自动控制与科学绘图等领域MATLAB语言具有其他软件无法替代的地位。在控制理论教学过程中引进MATLAB软件辅助教学，以培养系统思维方式为重点进行。在内容上按通过建模组成控制系统、对控制系统进行分析（时域法、根轨迹法、频率特性法等）和控制系统设计三部分来划分，再通过综合课程设计把三者有机联系起来。建模部分用MATLAB软件进行拉普拉斯变换、微分方程求解和各类模型的输入、形式变换等。分析部分可充分体现MATLAB软件的强大辅助教学作用，用它可非常方便的观察各种相应曲线、根轨迹、频率特性和参数变化对控制系统稳定性、动态特性的影响。设计部分放入综合课程设计，学生在教师指导下把前面介绍的几类控制系统的分析方法综合起来，自学系统校正内容，再用工程案例的形式把建模、系统分析和系统校正（系统设计）有机联系起来，工程案例以实际工程问题为对象，结合学生已掌握的知识，经适当简化进行建模、分析、校正等，要求建模用机理方法手算推导，分析校正既用手算又用MATLAB软件进行，这样就使学生较完整地初步进行了自动控制原理理论与实际的结合。3.2教学改革的实施与探索如前所述，控制理论这门课理论性强，对学生的数学基础要求较高，学生学起来感到抽象。因此在教学改革探索中必须注意MATLAB教学平台上课堂理论教学与上机实验的整合过程。注重基础课堂是教师传授知识的主要场所，而控制理论课程主要是介绍方法论，注重课堂基础环节，并以此作为实施教学的重点尤为重要。首先通过介绍此门课程作为专业基础课在本专业的重要性，引起学生对课程的重视，学生对课程的重视程度会直接影响其对该课程的学习兴趣和学习主动性。并且还通过介绍自动控制原理在生产实际中的广泛应用，把课程的学习和学生将来的工作联系起来，使之进一步提高对课程的学习兴趣。课堂教学中，上课之前注意对前面所讲章节的总结以使学生对前续知识有回顾，并将本堂课程的内容要点指出，给出教学内容的大概框架。上课时注意提问和课题测验，了解学生的接受知情况，对于那些学生发生疑难的地方重点讲授。图1二阶系统时域分析仿真图图2二阶系统不同的阻尼比值对应的阶跃响应（曲线1、2、3分别为欠阻尼、临界阻尼、过阻尼情况）引入技巧利用多媒体技术和网络技术构建CAI课件使用环境，通过课件的使用使学生能够自主学习各类课程，并引入解决难点的技巧。MATLAB语言虽比高级语言执行效率低，但编程效率与可读性、可移植性要强于高级语言。例如求一个矩阵的秩，采取C语言编写出的程序，采用各种算法得出的结果不尽相同。但在MATLAB环境下可用一条简单的命令就可以求出系统的准确秩，从而提高了学生自己动手分析、设计系统的能力。所以，在授课过程中，将基本概念和原理给学生讲通讲透的同时又可以充分利用计算机的表现能力将抽象问题具体化，在相关章节的理论课上完就安排对应的上机实验。MATLAB教学平台的引入，首先将计算机辅助分析与设计得到简化，例如在自动控制原理课程中常采用各种图形进行分析，而图形的获取又很困难，如果采用MATLAB语言只需简单指令立即就可以得到，如利用MATLAB语言可以非常容易地画出系统的根轨迹。而且以往的教学，由于受数学要求所限，一般只能分析简单的二阶系统，而利用MATLAB，就可以对高阶系统进行分析研究。因而此教学平台的引入不但使学生有了应用计算机的条件和兴趣，帮助学生建立正确的专业思想，而且使学生对控制系统的概念及控制性能的分析有了较为感性的认识。比如，在计算机上利用MTALB仿真出系统零极点对系统性能的影响；二阶系统时域分析中不同的阻尼比值对应的阶跃响应，如图1、2所示；校正前后系统阶跃响应的对比；离散系统中采用频率的选择对控制系统性能的影响等。由于MATLAB语言的先进性，颇受学生的喜爱，更增强了教师在实验设计上的灵活性与实验指导工作中的多样性。内部各种工具箱的方便应用以及控制仿真需要的结构图程序设计（SIMULINK）的方便性，更促进了学生学习与独立思考的积极性，同时也激发了学习本门课程的热情。强调提高注意课程和实验之间的衔接性，并按渐近的原则使MATLAB的使用由简单函数的调用、简单编程直到复杂编程。从基本操作入手逐步过度到模型建立、计算机辅助分析、辅助设计上来。其中可穿插自动控制领域中常用工具箱（如控制系统工具箱，模糊控制工具箱，最优控制工具箱）中最基本的内容，最主要的是要引导学生学会使用系统仿真。对控制系统分析、设计及仿真内容循序渐进的引入都贯穿了培养学生科学研究能力的内涵。4.结束语控制理论课程是高等学校电类专业学生的一门重要专业基础课，由于前面所分析的种种原因和传统教学模式的弊端，很多学生在学习过程中感到困难，不知从何下手，MATLAB教学平台的引入，能够化繁为简，化抽象为具体，加深学生对本课程的掌握程度，在此基础上进行的教学改革可以提高整体教学质量。通过前面的教学改革实践，我们深深体会到，高素质人才的培养是一项复杂的系统工程，转变观念、提高我们教师自身素质是教学改革的至关重要。“学高为师，身正为范”，如今知识经济时代的“学高”已不仅是过去意义上的知识含量的多少，而且还指是否具有创新意义的知识体系。所以我们需要树立终身学习的理念，在知识的创新实践中改革教学方法、教学手段，提升自己的教学魅力，才能适应时代要求，培养学生的创新精神和解决问题的综合能力。专业基础课的教学改革是一个长期的过程，一个不断研究、不断创新的艰苦过程。我们仅对控制理论课程的教学改革进行了初步探索，课程的教学质量有所提高，但还是有许多工作有待于在今后的教学实践中进一步改进和完善，如多媒体课件的进设计制作、MATLAB语言的应用等需要进一步加强提高