賈云飛

(中國民航大學(xué) 天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300300)

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“自動(dòng)控制原理”課程綜合教學(xué)平臺(tái)

賈云飛

(中國民航大學(xué) 天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300300)

摘要：針對(duì)“自動(dòng)控制原理”課程內(nèi)容比較抽象這一問題，本文通過Matlab GUI程序設(shè)計(jì)，開發(fā)出一體化的教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)將各種繪圖過程以動(dòng)畫的方式顯示給學(xué)生，同時(shí)也提供了參數(shù)化的輸入接口，對(duì)各種問題下的繪圖問題均可解決。經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐檢驗(yàn)，本平臺(tái)可大大降低教學(xué)負(fù)擔(dān)，顯著提高了學(xué)生的理解能力。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理；Matlab GUI；信息化教學(xué)；

0引言

“自動(dòng)控制原理”是電子電氣類本科生必修的一門課程，該課程建立在高度的數(shù)學(xué)抽象之上。一些理工類高校如北京航空航天大學(xué)、東南大學(xué)等都建立了水平較高的“自動(dòng)控制原理”教學(xué)平臺(tái)。這些平臺(tái)大多利用了Matlab軟件繪制的一些靜態(tài)圖和分析結(jié)果，而Matlab GUI繪圖過程沒有很好地體現(xiàn)，或者是沒有將教學(xué)課件與Matlab軟件有機(jī)結(jié)合，影響了教學(xué)效果[1-3]。

本文設(shè)計(jì)了一套面向“自動(dòng)控制原理”課程的綜合化教學(xué)平臺(tái)，平臺(tái)擁有統(tǒng)一的界面，可獨(dú)立運(yùn)行，可以調(diào)用教師的教學(xué)課件。程序的運(yùn)行過程將“自動(dòng)控制原理”課程中的部分抽象概念生動(dòng)地表現(xiàn)出來。經(jīng)課堂教學(xué)實(shí)踐，得到較好的反響。

1研究與方法

1.1存在的問題

“自動(dòng)控制原理”課程包含大量抽象的概念，教師的教學(xué)壓力較大。同時(shí)該課程包含了許多圖解方法，如根軌跡法、伯特圖和奈氏圖等。傳統(tǒng)的教學(xué)方法是由教師在黑板上畫出整個(gè)曲線，這種方法的好處是比較生動(dòng)，但由于繪圖過程比較煩瑣，同時(shí)不同問題中各種參數(shù)變化需要繪制許多條曲線，勢必占用大量寶貴的課堂時(shí)間，影響了教學(xué)效率。以往的解決辦法就是教師對(duì)每類問題只對(duì)應(yīng)地繪制一張圖，這又影響了教學(xué)效果。

采用幻燈片實(shí)施課堂教學(xué)同樣也有一定問題，教師在幻燈片中固然可以提供大量圖片、也能提供各種參數(shù)下的根軌跡曲線。但繪制過程并未體現(xiàn)在課堂上，導(dǎo)致部分理解能力較差的學(xué)生仍難以解惑。

以上兩種教學(xué)方式的互動(dòng)性和實(shí)時(shí)更新能力有很大提升空間。學(xué)生們聽到、看到的授課內(nèi)容都是教師事先準(zhǔn)備好的講義和教案，很多情況下并不能根據(jù)學(xué)生的要求現(xiàn)場演示各種問題的圖解方法，學(xué)生很難融入到教學(xué)中來，互動(dòng)性受到較大限制[4]。綜上所述，“自動(dòng)控制原理”教學(xué)中急需一種互動(dòng)性強(qiáng)、信息量大、生動(dòng)的教學(xué)手段。

1.2平臺(tái)特點(diǎn)

借助各種信息化的教學(xué)手段，本文開發(fā)了一套綜合化的教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)具有以下顯著特點(diǎn)：

(1)一體化教學(xué)平臺(tái)，教師的PPT、動(dòng)畫展示和各種教輔材料集中于一個(gè)窗口中。

(2)可脫離Matlab環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行。避免了在未安裝Matlab的計(jì)算機(jī)無法運(yùn)行的尷尬。

(3)具有視頻播放功能。對(duì)于難點(diǎn)，可以借助于播放名師教學(xué)視頻的手段改善教學(xué)效果。

(4)體現(xiàn)動(dòng)畫效果。將各種需要繪制的曲線的繪制過程在課堂上演示。

(5)互動(dòng)性強(qiáng)?！白詣?dòng)控制原理”教學(xué)中往往會(huì)遇到的各種參數(shù)變化或坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)等問題。這些都可以根據(jù)學(xué)生要求現(xiàn)場繪制。

1.3Matlab GUI編程方法介紹

Matlab自帶的GUI開發(fā)庫可以開發(fā)出獨(dú)立運(yùn)行的、帶界面的軟件。本平臺(tái)采用了Matlab GUI庫進(jìn)行開發(fā)。該開發(fā)庫的特點(diǎn)有：①開發(fā)過程簡單；大部分開發(fā)工作仍是基于Matlab的m語言；②配備豐富的文檔；該GUI庫的文檔內(nèi)容詳實(shí)，提供了大量實(shí)例，簡單易學(xué)，上手很快；③提供了豐富的Windows標(biāo)準(zhǔn)控件，直接調(diào)用即可[5]。圖1為Matlab GUI開發(fā)環(huán)境的主界面。圖上標(biāo)題中顯示的內(nèi)容為當(dāng)前文件全路徑，接下來是一行菜單欄，再往下是GUI工具欄，再往下左側(cè)是常用的GUI控件，其中最后一行標(biāo)簽為“ActiveX Control”的控件是擴(kuò)展控件，又稱插件，里面包含了本臺(tái)計(jì)算機(jī)所有的可供調(diào)用的插件，用戶要調(diào)用它們必須先注冊(cè)它們的項(xiàng)目ID(Program ID)以及復(fù)制對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫到當(dāng)前文件夾。右邊方格區(qū)域?yàn)镚UI布局區(qū)，用來放置用戶所需的各類控件。整個(gè)開發(fā)過程采用“所見即所得”的模式，簡化了開發(fā)人員的開發(fā)難度和工作量。

圖1　Matlab GUI開發(fā)環(huán)境

2平臺(tái)功能

2.1軟件架構(gòu)

本平臺(tái)針對(duì)的教材是我校采用的《自動(dòng)控制原理》(機(jī)械工業(yè)出版社)。覆蓋了前五章的主要知識(shí)點(diǎn)。主要模塊包括：主界面模塊、繪圖模塊、課件顯示模塊和視頻播放模塊等四個(gè)模塊。如圖2所示：

圖2　軟件架構(gòu)

(1)主界面模塊主要負(fù)責(zé)整個(gè)窗口的顯示與人機(jī)交互功能。主界面模塊為其它模塊提供了一個(gè)“容器”，包含了所有菜單、按鈕和繪圖顯示的結(jié)果。主界面模塊的設(shè)計(jì)主要考慮了直觀性、易于操作性和顯示效果等因素。

(2)繪圖模塊將用戶發(fā)出的繪圖命令以動(dòng)畫的方式顯示在界面上。以根軌跡圖的繪制為例，不能簡單地以Matlab提供的rlocus()函數(shù)直接繪制，因?yàn)檫@樣學(xué)生只能看到最終結(jié)果，而無法看到繪制的動(dòng)態(tài)過程。繪制過程需要靠一個(gè)循環(huán)配合root()求根的函數(shù)完成。繪圖模塊的另一設(shè)計(jì)要點(diǎn)是繪圖的速度，即曲線從起點(diǎn)至終點(diǎn)的顯示速度。本平臺(tái)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是既讓學(xué)生能感受到曲線從起點(diǎn)至終點(diǎn)的繪制過程，又能充分節(jié)約寶貴的課堂時(shí)間。最終代碼示意如下，其中K為參數(shù)變量，F(xiàn)和E分別為特征方程的分母系數(shù)和分子系數(shù)。

K=0;

while K<200

g=[F [E]*K];

ps=roots(g);

plot(real(ps),imag(ps),‘rx’,‘markersize’,6);

title(‘?根軌跡’);

grid on;

pause(0.001);

K=K+0.1;

hold on;

end

(3)課件顯示模塊是本平臺(tái)的一個(gè)特色模塊。用于在統(tǒng)一的界面上切換教學(xué)課件與繪圖界面。這種設(shè)計(jì)的目的是在教學(xué)過程中盡量少轉(zhuǎn)移學(xué)生的注意力。

(4)視頻播放模塊的設(shè)計(jì)目的是充分利用互聯(lián)網(wǎng)上的各種優(yōu)秀教學(xué)資源，例如各種機(jī)械控制原理視頻、精品課程的教學(xué)視頻。

2.2平臺(tái)的應(yīng)用效果

最終設(shè)計(jì)完成的程序主界面如圖3所示：

圖3　平臺(tái)主界面

圖3的左側(cè)為樹形控件，點(diǎn)擊各節(jié)點(diǎn)后可在課程教學(xué)各章節(jié)之間切換。右側(cè)是繪制參數(shù)輸入及結(jié)果顯示區(qū)，上部顯示了本章節(jié)包含的需要繪制的圖形。以第四章的根軌跡繪制為例進(jìn)行說明:在圖3的左側(cè)樹型控件中點(diǎn)擊“第四章 根軌跡分析法”，右側(cè)繪圖顯示區(qū)即顯示出如圖3所示的界面。點(diǎn)擊上部的tab控件“根軌跡一”，在文本框中輸入根軌跡方程的分子項(xiàng)與分母項(xiàng)的系數(shù)，點(diǎn)擊“繪圖”按鈕，右側(cè)坐標(biāo)軸中即可顯示出根軌跡的繪制動(dòng)畫，過程生動(dòng)形象。

3結(jié)語

本文針對(duì)“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)中遇到的困難，提出了一體化的教學(xué)平臺(tái)，并從需求分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)及教學(xué)實(shí)踐三個(gè)方面論述這一平臺(tái)的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用過程。經(jīng)過一學(xué)期的課堂教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生對(duì)本平臺(tái)顯現(xiàn)出極大的熱情，最為深切感受是根軌跡法、奈氏圖、波特圖等圖解方法不再難學(xué)。此外，課堂氣氛也隨之活躍，互動(dòng)性明顯提高，學(xué)生參與教學(xué)過程的主動(dòng)性明顯提升，有利于教師掌握學(xué)生的理解程度和學(xué)習(xí)中出現(xiàn)的困惑。

參考文獻(xiàn):

[1]梅雪, 羅益民, 夏美娟. 基于MATLAB的“自動(dòng)控制原理”課程建設(shè)[J], 南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2005(27).

[2]童峰, 李霞. Matlab在“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J], 南京: 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2007(29).

[3]孫靜, 周元鈞, 張磊. 基于Matlab的電力系統(tǒng)仿真平臺(tái)[J], 南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2009(31).

[4]張又亮, 夏柯, 康曉明, 笪凌云, 甘泉竑波, 徐穎秦.基于 MATLAB/GUI 的自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[J]，北京：科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)， 2011(35).

[5]陳垚光，毛濤濤，王正林，王玲．精通MatlabGui設(shè)計(jì)[M], 北京：電子工業(yè)出版社. 2013.

A Comprehensive Teaching Platform for Automatic Control Principle Course

JIA Yun-fei

(TianjinKeyLaboratoryforAdvancedSignalProcessing,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China)

Abstract:Automatic Control Principle is a very abstract course. this paper proposes a comprehensive teaching platform which is developed based on Matlab GUI library. This platform has several features, including the drawing process of several types of curves. In addition, it provides user-specified interface, which will draw corresponding curves. After one-term of teaching test, the results show that the teacher′s teaching stress will be greatly reduced, and the students feel the course is easy to understand.

Keywords:automatic control principle; Matlab GUI; informatization teaching

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-0686(2016)01-0090-03

中圖分類號(hào)：G642; TP13

作者簡介：賈云飛(1979.9-)，男，博士，講師，主要從事軟件測試、云計(jì)算與大數(shù)據(jù)分析教學(xué)和研究，E-mail：yfjia@cauc.edu.cn

收稿日期:2015-04-27;修回日期:2015-07- 04基金項(xiàng)目：中國民航大學(xué)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(2011QD05S)