王宗濤 李修強

摘? 要：《自動控制原理》課程的理論性較強，采用MATLAB圖形用戶界面和m文件來設計可視化教學平臺，教師可以方便地調用仿真公式并可快速地修改參數，實現自動控制原理的可視化教學。該平臺可以顯著地提高教學效果，有利于學生直觀地進行控制理論的學習。

關鍵詞：自動控制原理;可視化教學平臺;MATLAB

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

自動控制原理主要介紹經典控制理論中的3個分析方法（時域法、頻域法、根軌跡法），包括數學建模、拉氏變換、信號測試、結果分析。理論分析比較耗時，要想理解這些抽象的理論，采用可視化的方法有助于增強課堂效果?？梢暬褪抢脠D示的方法對事物進行視覺加工處理的過程，圖形在人們的日常生活和學習之中占據著越來越重要的位置，顯示出其不可替代的作用。目前很多可視化教學設計大多是借助計算機圖形技術或程序軟件來完成的，但是由于可視化教學設計實現過程比較復雜，其復雜性影響了教師們對可視化效果的追求，學生也很難體會到可視化帶來的好處。

目前自動控制原理課程常采用的輔助教學軟件是MATLAB，它具有強大的科學計算能力和出色的圖形處理能力。采用MATLAB中的命令語言、控制箱或者圖形用戶界面（Graphics User Interface，GUI）進行教學輔助，雖然可以取得一定的可視化效果，然而其操作過程比較復雜和困難，需要大量的計算機指令和參數。自動控制原理授課過程中采用MATLAB作為可視化教學輔助工具時，存在3個問題：1）采用MATLAB指令或m文件（MATLAB可執(zhí)行文件）進行仿真，必須通過多條指令才能變更參數，進行簡單的二階系統(tǒng)階躍響應分析就要輸入6行指令，如果對復雜的系統(tǒng)進行分析則需要幾十行指令，枯燥的指令輸入，嚴重影響了教學效果;2）如果采用Simulink仿真工具箱，雖然可以提前設置好系統(tǒng)的方框圖，但是修改參數卻不方便;3）GUI則很好地利用了圖形化分析工具，給用戶提供了良好的人機接口，然而目前可視化教學中的GUI開發(fā)不夠徹底，仍需要用戶手動添加控件;如何利用GUI，將自動控制理論的分析與設計過程徹底程式化，并將仿真的可視化效果與課堂進行有機融合仍缺乏深入的研究。

可視化教學設計既是為了簡潔明了地傳遞信息，也是為了更加深入地加工信息。基于可視化教學的強大作用，可視化教學是目前應該大力倡導的一種教學設計方法。將可視化教學引入自動控制原理課程的教學中，將極大地改善課堂效果，極大的激發(fā)學生的學習熱情，進一步活躍課堂氛圍，有利于學生課后自學和總結。為破解理論分析與軟件仿真相結合的難題，展開可視化教學研究勢在必行。該研究采用MATLAB圖形用戶界面和m文件相結合的方式，開展自動控制原理可視化教學平臺的設計。

1 可視化教學平臺設計

自動控制課程從5個方面展開仿真教學，通過設計可視化平臺主界面來調用5個子系統(tǒng)。這5個子系統(tǒng)分別是：數學模型基本分析、瞬態(tài)響應分析、根軌跡繪制、頻域特性分析、線性控制系統(tǒng)的設計與校正?？梢暬脚_的設計充分考慮到學習自動控制原理的特點和困難，結合教材、課程特點，以友好、功能強大、可學性為要求進行可視化平臺的設計與開發(fā)。

在設計過程中，把握以下4個要點：1）確?？梢暬虒W有利于學生把握學科的基本結構;2）確?？梢暬虒W可以節(jié)約備課時間和授課時間，教師可以更加有效地掌握學生的學習過程;3）確保可視化教學可以充分吸引學生全身心參與到理論的學習和理解當中;4）確保可視化教學的表述更加形象直觀，易于理解，從而加深學習印象。

1.1 可視化平臺主界面設計

可視化平臺主界面如圖1所示，主界面的設計簡潔明了，分析功能索引按鈕位于主界面的右下角，按鈕顏色與主界面背景顏色一樣，與主界面形成有機統(tǒng)一的整體。點擊按鈕系統(tǒng)將彈出選擇分析功能的下拉列表，用戶只需點擊列表相應的功能選項，就可以進入相應分析功能的界面。

1.2 數學模型基本分析界面的開發(fā)

圖2為數學模型基本分析界面，這個界面包括5個功能：傳遞函數、串聯(lián)分析、并聯(lián)分析、負反饋和零極點模型。傳遞函數功能可以將左邊傳遞函數G1和G2的內容顯示到右邊的文本框內。右上角有一個例子，p=[1 0 2 4]（表示多項式s3+2s+4，s為復變數）。限于篇幅，這里僅說明其中的傳遞函數功能。

輸入參數到傳遞函數G1下面的編輯框：[1 2]（表示多項式s+2）、[1 5 6 8]（表示多項式s3+5s2+6s+8）;輸入參數到傳遞函數G2下面的編輯框：[2]、[2 3 5]（表示多項式2s2+3s+5）;點擊傳遞函數按鈕，就可以在右邊的文本框顯示這2個傳遞函數

這5個基本功能的演示，用戶需要做的工作是輸入傳遞函數的參數，點擊5個按鈕就可以得到5種基本分析功能的結果。

1.3 瞬態(tài)響應分析界面的開發(fā)

圖3為瞬態(tài)響應分析界面，該界面有4個分析功能，分別是理論分析、脈沖響應、階躍響應、斜坡響應?，F在說明一下分析過程，首先在左邊的編輯框輸入分子1和分母[1 3 9]（表示多項式s2+3s+9），則系統(tǒng)的傳遞函數為

1.3.1 理論分析功能

理論分析的功能，可以顯示傳遞函數、系統(tǒng)的阻尼系數ξ、無阻尼自然震蕩角頻率ωn，可以分析單位階躍響應的上升時間tr、峰值時間tp、超調量σ。結果顯示在左邊矩形文本框內。

1.3.2 脈沖響應、階躍響應和斜坡響應

點擊階躍響應，可以得到脈沖響應曲線，圖3中的曲線即為階躍響應曲線。點擊脈沖響應、斜坡響應，也可得相應的響應曲線。

1.4 根軌跡繪制界面的開發(fā)

圖4為根軌跡繪制界面，在左邊分子對應的編輯框里輸入[2 5 1]（表示多項式2s2+5s+1），分母對應的編輯框里輸入[1 4 1 3 8]（表示多項式s4+4s3+s2+3s+8），點擊根軌跡繪制，即可得到分析結果。其中文本框顯示的是零點z和極點p的情況，曲線顯示的是根軌跡曲線，圓圈○表示零點，星號*表示極點。用戶輸入開環(huán)傳遞函數，點擊分析按鈕，即可實現零極點分析和根軌跡繪制。圖4標明，開環(huán)極點有4個，開環(huán)有限零點為2個，因此有4條根軌跡，其中2條終止有限零點，另外2條終止于無限零點。

1.5 頻域特性分析界面的開發(fā)

圖5頻域特性分析界面，在左邊分子對應的編輯框里輸入1，分母對應的編輯框里輸入[1 2 3]（表示多項式s2+2s+3），系統(tǒng)的傳遞函數為：

頻率特性分析按鈕下方編輯框的內容是sin（t），點擊頻率特性分析，即可得到分析結果。

1.6 線性控制系統(tǒng)的設計與校正界面的開發(fā)

圖6線性控制系統(tǒng)的設計與校正界，在該界面中有3個分析功能，分別是頻域法串聯(lián)超前校正、頻域法串聯(lián)滯后校正和頻域法串聯(lián)滯后-超前校正功能。這里僅說明頻域法串聯(lián)超前校正。

在左邊分子對應的編輯框里輸入1，分母對應的編輯框里輸入[0.1 1 0]（表示多項式0.1s2+s），輸入增益編輯框輸入100，相角裕量編輯框輸入55。點擊超前校正按鈕，即可得到如圖8所示的頻域法串聯(lián)超前校正分析結果，校正函數為

校正后幅值裕量為∞dB，相角裕量為56.2°，滿足控制系統(tǒng)需求。

2 可視化教學平臺的優(yōu)勢和教學實施辦法

一個簡單的例題需要輸入10條MATLAB指令，操作煩瑣而且占用大量的時間，嚴重影響教學效果。采用自動控制原理可視化平臺，只需要輸入幾個參數，點擊相應的按鈕就可以得到分析結果。

該平臺的教學實施辦法是基于理論+仿真的可視化思路進行的。課前將理論內容、圖形化結果、MATLAB指令告知學生，由學生進行預習。上課分三部分進行展開，第一部分進行理論推導并用公式展示結果;第二部分進行程序的演示;第3部分進行MATLAB的簡單介紹，介紹編程指令，布置程序設計任務。課后由學生對照理論和可視化效果進行復習，學生自主學習MATLAB指令并進行程序設計。

3 結語

采用MATLAB圖形用戶界面和m文件開發(fā)的自動控制原理可視化教學平臺，各種操作都是通過調用自主開發(fā)的m文件實現的。教師可以直接調用可視化教學平臺分析模塊，選擇課程需要的仿真公式并根據需要調整控制參數，可以做到所見即所得，可以快速與理論教學進行比較分析。該課題所開發(fā)的m文件構成了可視化系統(tǒng)運行的底層文件，授課教師可以直接利用這些m文件和可視化平臺進行教學，也可以在此基礎上進行后期開發(fā)。

參考文獻

[1]李芒，蔡旻君，蔣科蔚，等.可視化教學設計方法與應用[J].電化教育研究，2013（3）：16-22.

[2]葉新東.未來課堂環(huán)境下的可視化教學研究[D].上海：華東師范大學，2014.

[3]韋春榮.基于MATLAB_GUI的自動控制原理課堂輔助教學系統(tǒng)[J].廣西物理，2013（4）：55-56.

[4]汪洋.基于MATLAB教學平臺的《自動控制原理》教學改革研究[J].臺州學院學報，2011，33（3）：76-81.

[5]田晴，張茁.基于MATLAB的自動控制原理實驗仿真系統(tǒng)的設計[J].教育教學論壇，2015（27）：228-229.