張星紅　王汝鋒　趙志國

摘? 要：自動控制原理是多學(xué)科交叉的一門專業(yè)課，注重理論和實踐的密切結(jié)合。該文通過對自動控制原理的抽象化和強理論性等特點以及學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏積極性和主動性等問題的分析，為提高教學(xué)質(zhì)量，深化課程的教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實際問題的能力，將MATLAB語言、NI ELVIS硬件平臺和自動控制理論有機結(jié)合起來。理實平臺結(jié)合的教學(xué)手段，豐富了課堂的多元化和創(chuàng)新性。學(xué)生可以直觀地分析理論，編寫相應(yīng)控制程序，提高了學(xué)生的編程能力、創(chuàng)新思維能力和辯證思維能力，調(diào)動了學(xué)生對學(xué)習(xí)的積極性和主動性，大幅度提高了課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：自動控制原理? MATLAB軟件? ?NI ELVIS平臺? 教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）05（c）-0015-02

1? 教學(xué)過程存在的主要問題

1.1 推導(dǎo)理論性強、內(nèi)容抽象化

課程涉及的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較為廣泛，從高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、工程高等代數(shù)到離散數(shù)學(xué)等，這些數(shù)學(xué)推導(dǎo)內(nèi)容理論性強、教學(xué)內(nèi)容抽象化、公式推導(dǎo)復(fù)雜化，無法給學(xué)生一種直觀的感性認(rèn)知和理解。

1.2 實驗與理論未同步，教學(xué)理念滯后

由于實驗課不能與理論課同步進行，理論先行實驗滯后的教學(xué)理念，使實驗環(huán)節(jié)與理論教學(xué)有一定的時間間隔，這樣學(xué)生將無法及時用實驗驗證理論的正確性。同時，自控原理的實驗環(huán)節(jié)幾乎都是針對理論教學(xué)知識的驗證，缺少相關(guān)課程之間的聯(lián)系，盡管學(xué)生做了實驗，但無法從系統(tǒng)的角度把握所學(xué)知識，更談不上融會貫通和學(xué)以致用。

1.3 教學(xué)手段單一

由于自動控制原理中理論推導(dǎo)較多、作圖方法較多，在課堂教學(xué)中，僅用PPT課件和黑板的教學(xué)手法具有單一性、枯燥性，無法給學(xué)生一種直觀的感性認(rèn)知和理解。這種教學(xué)手段很容易造成學(xué)生注意力分散和理解困難，從而對這門課程產(chǎn)生抵觸情緒。

1.4 學(xué)時分配不足

自動控制原理內(nèi)容豐富，理論復(fù)雜，目前的理論教學(xué)僅40學(xué)時，實驗8學(xué)時，在滿足教學(xué)進度需要的同時，使得許多知識點和課后習(xí)題均無法在課堂上進行詳細(xì)講解，進一步加大了教學(xué)的難度。

針對以上教學(xué)過程中存在的問題，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高老師的教學(xué)質(zhì)量，在教學(xué)過程中采用MATLAB軟件和理論有機結(jié)合起來，借助于NI ELVIS硬件平臺開展自動控制原理課程實驗，以達(dá)到所設(shè)想的教學(xué)效果。

2? 基于MATLAB軟件的自動控制原理的理論課程研究與改革

在教學(xué)過程中，我們將MATLAB語言和自動控制理論有機結(jié)合起來，既降低了理論的抽象性，增強了直觀性，又讓學(xué)生在課堂教學(xué)中學(xué)會使用用途極廣的編程語言。在時域分析章節(jié)中，系統(tǒng)的輸入輸出信號都是隨時間變化而變化的，采用MATLAB語言可以幫助學(xué)生調(diào)用各種顯示動畫指令，直觀地分析各種信息隨時間變化而變化的過程，克服了教學(xué)內(nèi)容的抽象化。例如，在已知傳遞函數(shù)求系統(tǒng)時域響應(yīng)的過程中，首先，給學(xué)生分析理論思路;其次，依據(jù)響應(yīng)概念，用數(shù)學(xué)思維進行推導(dǎo);最后，調(diào)用MATLAB的一些控制系統(tǒng)模型，讓學(xué)生在Simulink環(huán)境中進行仿真，深入了解一個系統(tǒng)是如何組成、各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)以什么方式進行關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)又是如何運作等問題。這樣既深化了系統(tǒng)模型方面的概念，又輕松地學(xué)會了如何使用MATLAB語言中的仿真工具Simulink。

3? 基于NI ELVIS平臺的自動控制原理的實驗課程研究與改革

選擇了NI ELVIS硬件平臺和LabVIEW軟件環(huán)境開展自動控制原理課程實驗的改革。這主要是因為NI ELVIS結(jié)合了多種現(xiàn)成的儀器功能，但同時也支持利用LabVIEWW軟件開發(fā)特別的實驗功能，而且NI ELVIS和LabVIEW軟件為學(xué)生提供了一個可擴展發(fā)揮的實驗環(huán)境，可以改變以往按部就班、單純驗證的實驗方式。下面舉例說明。

以典型的二階系統(tǒng)穩(wěn)定性分析為例，對課程實驗的改革進行詮釋。

（1）實驗接線。

實驗指導(dǎo)書上，給定二階系統(tǒng)模擬電路圖，對電路圖進行分析，這樣在學(xué)習(xí)該課程的同時，也能夠讓學(xué)生體會到本科和其他課程的相關(guān)性。

（2）實物連線。

結(jié)合電路模擬圖，在控制電路板對實物進行連線，在動手的過程中，更好地培養(yǎng)學(xué)生的操作能力和邏輯思維能力。

（3）軟件設(shè)置。

設(shè)置采樣率類型為單次采樣，如圖1中A;采樣率設(shè)置為1K，如圖1中B;采樣長度為4K，如圖1中C;設(shè)置信號幅值為1，如圖1中D;設(shè)置信號輸出，將“信號輸出”按鈕點亮，如圖1中E。

（4）分析其穩(wěn)定性。

學(xué)生雖然不需要自己搭建電路編寫程序，但是按照順序做完一些列實驗，可根據(jù)波形分析系統(tǒng)的性能，直觀地體會“穩(wěn)”“快”“準(zhǔn)”的系統(tǒng)性能。比如，從圖1可以看出系統(tǒng)的上升時間不到0.5，峰值時間約0.5，系統(tǒng)最終是穩(wěn)定的，且收斂于1。學(xué)生學(xué)好基本的實驗之后，還可以自由發(fā)揮，在操作的過程中，可改變其數(shù)據(jù)，可得到不同的圖像，從不同的曲線分析均系統(tǒng)的性能，可經(jīng)過對圖像分析更好地詮釋理論知識。

4? 結(jié)語

將MATLAB語言和NI ELVIS硬件平臺應(yīng)用于自控原理課程教學(xué)改革中，可以使MATLAB語言、NI ELVIS硬件平臺和自動控制原理課程的內(nèi)容有效地結(jié)合。既能降減弱自動控制原理的抽象性，又可以增強理論的直觀性，讓學(xué)生在有限的課堂時間中輕松地學(xué)會自動控制原理的理論知識，同時也學(xué)會了MATLAB編程工具和了解了NI ELVIS硬件平臺。從而有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣。

參考文獻

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