韓娜妮,鄭耐琴,徐秀妮

（隴東學院電氣工程學院，甘肅 慶陽 745000）

現(xiàn)代控制理論是自動化專業(yè)的核心課程，按照工程教育專業(yè)認證及新版人才培養(yǎng)方案的要求，通過該課程的學習，學生應(yīng)該掌握基礎(chǔ)的控制理論，并且具有分析、設(shè)計實際復雜控制系統(tǒng)的能力[1]。因此，在該課程的教學過程中，不僅要傳授理論知識，更要注重培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力和創(chuàng)新意識。

Matlab是由美國The mathworks 公司于1984年推出的一種科學與工程計算語言，其廣泛應(yīng)用于自動控制、數(shù)學運算、信號分析、航天工業(yè)及語音處理等行業(yè)[2]。Matlab程序語言簡單易用，代碼短小高效，并且擁有出色的圖形處理能力及強大的系統(tǒng)仿真功能。目前，Matlab已成為一種具有廣泛應(yīng)用前景的計算機高級編程語言，而自動控制則是其最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。

利用Matlab進行現(xiàn)代控制理論教學，特別是Simulink圖形交互式仿真環(huán)境，不僅可以解決硬件實驗設(shè)備不足的困難，而且還能激發(fā)學生的學習興趣和熱情，并且可供學生在課后進行自主性和探索性的學習，以提高學生分析和設(shè)計實際復雜控制系統(tǒng)的能力。

1 傳統(tǒng)教學存在的問題

由于現(xiàn)代控制理論具有理論性強和內(nèi)容抽象的特點，在傳統(tǒng)的理論教學中，講課重點通常落實在理論知識、概念和公式推導上，學生難以長時間注意力集中，課堂學習枯燥乏味，同時也忽視了對學生工程實踐能力的引導與培養(yǎng)，從而很難將現(xiàn)代控制理論應(yīng)用于實際工程系統(tǒng)的設(shè)計中，難以提高復雜工程問題的分析和解決能力。并且現(xiàn)有教材復雜工程示例較少，難以體現(xiàn)現(xiàn)代控制理論在分析和設(shè)計復雜工程控制問題的優(yōu)越性[3]。

在傳統(tǒng)現(xiàn)代控制理論實驗教學中，由于實驗設(shè)備的限制，大部分的實驗都是對理論的簡單驗證，缺乏復雜控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計實例。

在現(xiàn)代控制理論教學過程中引入Matlab軟件具有多個優(yōu)點[4]。首先，軟件仿真可以變抽象為具體，直觀性、趣味性強，可以使得枯燥無味的被動接受變成形象直觀、有趣的實踐，學生對理論知識的理解更加到位；其次，通過軟件仿真學習，學生學習理論知識和實驗學習可以不受時間和空間的限制；最后，在實驗設(shè)備有限的情況下，通過軟件進行理論驗證、系統(tǒng)分析和設(shè)計，最大限度的培養(yǎng)學生解決復雜控制系統(tǒng)的能力。

2 Matlab在現(xiàn)代控制理論教學中的應(yīng)用

2.1 基于Matlab的教學思路

按照工程教育專業(yè)認證標準的基本要求，現(xiàn)代控制理論課程借鑒任務(wù)驅(qū)動教學法和項目教學法，提出基于“項目引導、任務(wù)驅(qū)動”的現(xiàn)代控制理論教學模式，實現(xiàn)“教、學、做”一體化教學設(shè)計[5]。整體教學思路包括“項目導入”、“信息收集”、“制定計劃”、“實施計劃”、及“展示和評價”，具體如圖1所示，其中，Matlab軟件仿真貫穿始終，融入每一個階段中。

圖1 課程整體教學思路

首先，在“項目導入”階段，由教師擬出數(shù)個和實際工程問題相關(guān)的項目，與學生討論，確定在Matlab中可實現(xiàn)的項目目標和任務(wù)；接著針對每一個知識點，利用任務(wù)驅(qū)動法，引導學生積極主動學習相關(guān)的理論知識，進行信息收集，包括在Matlab中對理論知識進行驗證[6]；然后學生通過自主學習、小組協(xié)作學習等方式，對該項目的任務(wù)目標進行分析，充分應(yīng)用已掌握的前序理論知識和Matlab知識，確定任務(wù)的實施步驟，為任務(wù)的實施做好充分的準備；在“實施計劃”環(huán)節(jié)，項目小組按照既定工作步驟和程序工作，通過利用仿真軟件，分析、設(shè)計實際工程項目；最后，學生利用仿真軟件展示自己的項目成果，接受他人的評價和教師的反饋。該方案需要通過定期評價和反饋對實施效果進行評價，對教學過程中出現(xiàn)的問題不斷完善。

2.2 實例舉證

文章以設(shè)計實現(xiàn)多移動傳感器的編隊控制為例，進行現(xiàn)代控制理論課程的綜合改革。具體的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖2所示，要求建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，設(shè)計編隊控制協(xié)議并進行仿真驗證，以實現(xiàn)分布式編隊控制[7]。

圖2 多移動傳感器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

該教學項目涵蓋了系統(tǒng)模型的建立及轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)穩(wěn)定性及可控、可觀測性分析和控制器的設(shè)計等知識點，將理論課程中碎片化的知識點構(gòu)建成相對完善的知識體系，綜合性強。利用Matlab軟件能直觀的反映出系統(tǒng)分析和設(shè)計的結(jié)果，有利于學生掌握現(xiàn)代控制理論在復雜系統(tǒng)分析和設(shè)計中的應(yīng)用，充分調(diào)動學生的學習積極性。按照圖1所示的教學思路，具體的課程實施計劃見表1。

表1 項目實施表

具體實施的結(jié)果如下：

在目前可查找的資料中，常見的多移動傳感器系統(tǒng)數(shù)學模型有一階模型、二階模型及高階模型，為考慮一般性，引導學生建立高階的動態(tài)模型，其描述為

在設(shè)計分布式編隊控制協(xié)議時，引導學生建立如下的控制協(xié)議

運行的結(jié)果以圖形形式呈現(xiàn)，其中圖3為誤差系統(tǒng)狀態(tài)曲線，表明系統(tǒng)穩(wěn)定。圖4為多智能體系統(tǒng)狀態(tài)曲線，表明系統(tǒng)實現(xiàn)了預先設(shè)計的編隊。

圖3 誤差狀態(tài)曲線

圖4 多智能體狀態(tài)曲線圖

3 結(jié)束語

將Matlab引入到現(xiàn)代控制理論課程教學中，不僅可以對理論知識進行驗證，使學生進一步理解、掌握理論知識，還可以在實驗資源有限的情況下，最大限度的提高學生分析、設(shè)計復雜控制系統(tǒng)的能力，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和自主創(chuàng)新的能力。但在課程教學過程中，如何設(shè)計適合的系統(tǒng)案例以及如何將理論內(nèi)容完整的融入到系統(tǒng)的分析、設(shè)計中，仍是需要進一步考慮的問題。