闞秀　李媛媛　羅曉　奚崢皓

摘 要 本文根據(jù)MATLAB在控制系統(tǒng)建模仿真方面的優(yōu)勢，從教學(xué)內(nèi)容安排、教學(xué)方法實(shí)施、教學(xué)平臺構(gòu)建等三個方面分析了MATLAB在連接控制系統(tǒng)教學(xué)中的必要性和可行性。

關(guān)鍵詞 控制系統(tǒng) MATLAB 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 仿真

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.08.048

Discussion on the Application of MATLAB in Control System Teaching

KAN Xiu， LI Yuanyuan， LUO Xiao， XI Zhenghao

（College of Electrical and Electronic Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620）

Abstract In this paper， according to the advantage of MATLAB in control system molding and simulation， the necessity and feasibility has been analyzed form three aspects including teaching content， teaching method and teaching platform.

Keywords control system； MATLAB； computer-aided design； simulation

0 引言

隨著現(xiàn)代文明的不斷進(jìn)步，起源于20世紀(jì)初的自動化科學(xué)作為一門在軍事、航空、航天、直至社會生活中均有重要應(yīng)用價值的學(xué)科也在快速發(fā)展，自動化是基于物理學(xué)、數(shù)學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、社會學(xué)等領(lǐng)域發(fā)展起來的一門交叉學(xué)科。對于自動化專業(yè)的學(xué)生而言，他們所學(xué)習(xí)的自動控制原理等專業(yè)課程更關(guān)注的是控制系統(tǒng)數(shù)理特性的理論表達(dá)，使得他們所理解的控制系統(tǒng)局限在概念化、數(shù)學(xué)化和抽象化，那么如何將所學(xué)理論知識進(jìn)行數(shù)值仿真校驗(yàn)，使得理論結(jié)果與實(shí)際接軌表現(xiàn)的更為具象化、數(shù)值化、圖表化也就成為自動化領(lǐng)域的首要問題。為了解決控制系統(tǒng)研究及應(yīng)用過程中繁瑣計(jì)算、曲線繪制、控制與設(shè)計(jì)等問題，大量的控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)軟件應(yīng)運(yùn)而生，這些軟件也在很大程度上提高了科研與技術(shù)人員的工作效率。

MATLAB是Math Works公司于年推出的一種科學(xué)計(jì)算軟件，它是一種以矩陣為基本編程單元的程序設(shè)計(jì)語言，具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能、圖形表達(dá)功能及可視化的仿真環(huán)境。近十幾年來，MATLAB憑借其強(qiáng)大的計(jì)算功能、圖形功能及simulink模塊仿真等功能，已然成為控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的佼佼者。自動化作為強(qiáng)調(diào)應(yīng)用實(shí)踐的工科專業(yè)，如果在教學(xué)過程中能夠?qū)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)合，將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，采用靈活多樣的形式和豐富多樣的內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生興趣的同時亦達(dá)到較好的教學(xué)效果。因此，將MATLAB技術(shù)引入到控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)中來，將二者有機(jī)結(jié)合起來將更有助于自動化專業(yè)課程的教學(xué)。[1-3]

1 教學(xué)內(nèi)容的安排與設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)教育觀念下的控制系統(tǒng)教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)方式缺乏直觀性，以理論課教學(xué)為主輔以少量驗(yàn)證性試驗(yàn)，枯燥無味，學(xué)生來很難真正理解掌握，而這樣的知識強(qiáng)制性灌輸形式也很難提起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，后續(xù)教學(xué)中應(yīng)注意根據(jù)自動化學(xué)科的發(fā)展趨勢，了解自動化學(xué)科在其他專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的交叉融合情況，參考社會對專業(yè)人才的技術(shù)要求，以學(xué)生的認(rèn)知的規(guī)律和程度為基礎(chǔ)，對MATLAB技術(shù)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行全面的優(yōu)化。通過全MATLAB軟件仿真設(shè)計(jì)實(shí)際控制系統(tǒng)，一方面可以幫助學(xué)生驗(yàn)證理論的結(jié)論是否正確；另一方面幫助學(xué)生把更多注意力放在知識的掌握和應(yīng)用上。

在教學(xué)內(nèi)容的安排與設(shè)計(jì)方面，著眼于控制理論的建模與仿真實(shí)現(xiàn)，加強(qiáng)基礎(chǔ)的同時進(jìn)行擴(kuò)展應(yīng)用，從縱向和橫向兩個方面組織教學(xué)內(nèi)容。首先，從縱向方面深入的學(xué)習(xí)課程基礎(chǔ)知識，理清MATLAB語言程序設(shè)計(jì)的基本思想、方法和概念，透徹講解控制系統(tǒng)相關(guān)工具箱的原理與使用過程。其次，從橫向方面實(shí)現(xiàn)控制理論的具體應(yīng)用，基于實(shí)際工程系統(tǒng)工作機(jī)理，由淺入深地介紹MATLAB在系統(tǒng)建模、模型運(yùn)算、控制器設(shè)計(jì)等方面的分析與應(yīng)用過程，實(shí)現(xiàn)經(jīng)典控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過渡與銜接。在授課過程中，注意采用合適的工程應(yīng)用實(shí)例作為實(shí)驗(yàn)部分配合教學(xué)內(nèi)容的講授，讓學(xué)生對所學(xué)知識進(jìn)行更深入的理解和消化，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

自動化專業(yè)的學(xué)習(xí)不僅要求學(xué)生掌握控制系統(tǒng)的基本理論與方法，更要使之成為自動控制理論、計(jì)算機(jī)控制、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和實(shí)踐中驗(yàn)證或判斷理論結(jié)論正確性、有效性的數(shù)值檢驗(yàn)工具。也就是說，針對控制系統(tǒng)的MATLAB技術(shù)的教學(xué)需要注重理論與實(shí)踐關(guān)聯(lián)性等內(nèi)容的教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生形成獨(dú)立的、創(chuàng)造性的思維能力和工作能力。因此，在課時分配方面，應(yīng)該盡量壓縮理論部分的課堂教學(xué)課時，預(yù)留足夠的課時使學(xué)生在熟悉MATLAB技術(shù)的過程中充分掌握控制系統(tǒng)建模與仿真方法，或者在實(shí)驗(yàn)的過程中穿插講解理論知識，使學(xué)生能更加生動地理解所學(xué)知識。[4-6]

2 教學(xué)方法的實(shí)施與優(yōu)化

2.1 關(guān)注學(xué)科發(fā)展，教學(xué)內(nèi)容柔性安排

隨著各個學(xué)科交叉融合的不斷深入，在對課程整體優(yōu)化的前提下，充分考慮自動化學(xué)科的發(fā)展，以事實(shí)為載體打開學(xué)生視野。將學(xué)習(xí)MATLAB的基本思想、方法和概念作為課程的起點(diǎn)，通過MATLAB重新介紹控制系統(tǒng)的相關(guān)知識，建立以控制理論為主線，MATLAB為輔的控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的課程體系。[7，8]以典型實(shí)例和先進(jìn)方法等專題分析的方式深化學(xué)生對自動化學(xué)科的認(rèn)知與前沿知識的吸收，以課上課下討論和隨堂報告的學(xué)習(xí)形式拓展學(xué)生對相關(guān)材料的理解。根據(jù)實(shí)際教學(xué)情況與學(xué)生的反饋，不斷梳理教學(xué)內(nèi)容并及時調(diào)整教學(xué)方式以便于學(xué)生易于接受。

2.2 實(shí)際問題為引導(dǎo)，完成控制系統(tǒng)建模仿真

以調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性與主動性為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)課程內(nèi)容引出實(shí)際問題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行課題思考與仿真求證，形成教師主控學(xué)生主管的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)模式。讓學(xué)生帶著問題走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成交流討論與建模仿真，而后體會控制系統(tǒng)理論知識的意義，再帶著對工程實(shí)踐的理解走出實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)過程中，教師可以更好地了解教學(xué)效果，以便及時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法。同時，這種“教、學(xué)、思、做、結(jié)”相結(jié)合的教學(xué)方法，不僅為學(xué)生提供了自我成長的空間，更能培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、自主分析解決問題的能力。教學(xué)過程中注重學(xué)生的獨(dú)立思考、互動討論和動手實(shí)踐等能力的培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成主動學(xué)習(xí)、深入分析、實(shí)際中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的好習(xí)慣。

2.3 豐富教學(xué)手段，建立多維立體式教學(xué)平臺

選用英文原版教材，從內(nèi)容架構(gòu)體系出發(fā)，以圖文并茂的形式制作教學(xué)課件，形象具體的展現(xiàn)專業(yè)知識，同時力求從學(xué)生的角度更生動的完成知識接收。并針對《現(xiàn)代電力電子學(xué)》中的基本原理和技術(shù)參數(shù)，采用板書推導(dǎo)演算的方式讓學(xué)生充分了解其中蘊(yùn)含的數(shù)學(xué)及物理等屬性。利用板書與多媒體結(jié)合互動的方式，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，克服傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的許多缺陷，如節(jié)奏慢，所能表現(xiàn)內(nèi)容的深度、廣度及手法極為有限等問題。尋找獲得最佳授課效果的方法，建立起集情景化、趣味性與可視化為一體的數(shù)字化慕課、微課學(xué)習(xí)資源包，便于學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下任意時間任意地點(diǎn)進(jìn)行有針對性的學(xué)習(xí)。

2.4 對接未來發(fā)展，建立多維立體式教學(xué)平臺

MATLAB在控制系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用原則，即是加深學(xué)生對控制理論的理解、啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、對接學(xué)科未來發(fā)展，那么從教與學(xué)的多維角度搭建合理的教學(xué)平臺能夠促進(jìn)教學(xué)的良性循環(huán)。根據(jù)教學(xué)需要與學(xué)科發(fā)展自主編寫適合學(xué)生學(xué)習(xí)的教材，公開教學(xué)視頻、教材與教學(xué)過程中例題的程序代碼，方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)，簡化典型問題的求解難度。建立PPT、Flash、MATLAB、LaTeX、C++等有機(jī)結(jié)合的多媒體教學(xué)課件，立體化地呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)學(xué)生的直觀理解。開啟中英為授課學(xué)習(xí)方式，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)外知識學(xué)習(xí)的無縫連接，推動學(xué)生打開國際視野。

3 小結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各類計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用越來越廣泛，而MATLAB是作為今最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件之一，在自動化控制系統(tǒng)輔助教學(xué)中起著舉足輕重的作用， MATLAB軟件的引入不僅能解決傳統(tǒng)教學(xué)中存在的枯燥不形象等弊端，彌補(bǔ)實(shí)際驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)器材不足的缺點(diǎn)，有效提高教學(xué)效率和質(zhì)量，增加學(xué)生學(xué)習(xí)興趣拓寬學(xué)生視野。本文對MATLAB在控制系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，分別從教學(xué)內(nèi)容安排、教學(xué)方法實(shí)施、教學(xué)平臺構(gòu)建等三個方面分析了MATLAB在連接控制系統(tǒng)與實(shí)踐仿真之間的重要作用，致力于通過MATLAB在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的理論與實(shí)踐的融匯學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新思維能力和工作實(shí)踐能力。在教學(xué)過程中注意合理架構(gòu)教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)建先進(jìn)教學(xué)環(huán)境、整合現(xiàn)代教學(xué)手段，打造理論與實(shí)際相結(jié)合、實(shí)踐與技術(shù)相銜接的專業(yè)特色課程，為培養(yǎng)高素質(zhì)高技能的專業(yè)人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本文由上海工程技術(shù)大學(xué)課程建設(shè)項(xiàng)目基金資助（k201602002， k201702001）

參考文獻(xiàn)

[1] 芮云生. MATLAB在電工學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].湖南師范大學(xué)，2008.

[2] 潘峰，薛定宇，陳大力，崔建江.控制系統(tǒng)仿真與CAD 國家精品資源共享課程建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013.32（11）：286-289.

[3] 林峰.“Matlab 與系統(tǒng)仿真”課程的教學(xué)改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2015.37（3）：12-14.

[4] 邢雅周.控制系統(tǒng)仿真軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

[5] 錢惠敏，周軍，孫永輝，任祖華.《系統(tǒng)建模與仿真》課程教改探討——面向卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2015.22：99-100.

[6] 薛定宇.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)——MATLAB 語言與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[7] 薛定宇，陳陽泉.基于MATLAB/Simulink 的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[8] 潘峰，薛定宇，陳大力.MATLAB 語言課程在電氣信息類專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2009.31：57-59.