基于MATLAB教学平台的《自动控制原理》教学改革研究

汪 洋

（台州学院 物理与电子工程学院，浙江 台州 318000）

基于MATLAB教学平台的《自动控制原理》教学改革研究

汪 洋

（台州学院 物理与电子工程学院，浙江 台州 318000）

通过问卷调查、访谈等形式了解《自动控制原理》理论教学中存在的问题，结合MATLAB语言的特点，采用实验室和普通教室相结合的新授课模式，以设计控制系统的滞后校正为例说明MATLAB教学平台在理论教学中的作用，解决了理论计算上的难点。两年的实践证明，90%以上学生对新教学模式持肯定态度。

自动控制原理；MATLAB；教学改革

1 引言

《自动控制原理》是电气自动化专业的主干课程之一，其主要研究对象是自动控制系统，研究的中心问题是系统在控制过程中的性能。本课程强调方法论，理论性强，可以为学生从事各种实际控制系统的分析、设计提供理论工具，是学习后续课程不可或缺的理论基础。如何帮助学生理解与掌握《自动控制原理》课程的基本概念、原理、分析方法以及综合应用所学知识解决实际问题的能力，是目前《自动控制原理》课程教学所要解决的关键问题。

在控制领域，MATLAB是控制系统计算机辅助分析与设计的一个卓越平台。它为《自动控制原理》系列课的教学提供了一个连续的、有实用价值的工具，系列课中的系统仿真和模糊控制、神经网络等智能控制课程均可在此平台上进行教学改革。因此，将MATLAB应用于《自动控制原理》课程的教学更具有重要的现实意义[1]。

2 《自动控制原理》课程的特点分析及教学过程中存在的问题

2.1 课程的特点

《自动控制原理》作为我校电气自动化专业学生从基础课到专业课过渡的专业基础课之一，在教学上占有重要的地位，一般都在大学三年级第一学期或第二学期开设。该课程有其特点[2]。

2.1.1 理论性强，抽象概念多，知识系统性强

学习时需要先建立系统数学模型的概念，然后再分时域模型和频域模型展开讨论，最后对系统整体性能进行校正分析，整个过程是循序渐进的。对先修课程如电路原理、模拟电子线路、信号与系统等有一定的要求。

2.1.2 对数学计算能力要求较高

教学中，如果学生缺乏必要的基础知识，如高等数学、线性代数、复变函数等，而教师又不能采取适当的教学处理方法，就会造成学生学习上的畏难情绪，影响教学效果。

2.1.3 与工程实际联系较为紧密

由于《自动控制原理》课程的研究对象为实际的自动控制系统，探讨的是控制过程的性能及其规律性，其理论具有很强的应用性，具有明显的理论性和工程性，与基础课程相比在研究方法和学习方法方面都有较大的区别。

2.2 传统教学过程中存在的问题

《自动控制原理》课程的上述特点，造成了教学过程中存在一定的困难。为此，我们选取电子系两个专业的学生为研究对象，共发放问卷50份，回收48份，全部为有效答卷，同时随机抽取不同年级不同班级的学生进行深入访谈。通过调查问卷和访谈，发现本课程教学目前主要存在以下问题：

1．抽象的理论概念多，推理多在数学体系下进行，物理概念、工程概念相对涉及得比较少。教学过程易枯燥，学生学习的难度较大，不容易有学习兴趣。通过课后的访谈发现，84%的学生对目前《自动控制原理》这门课程存在比较严重的畏难情绪。造成这一现象的主要原因有以下几个方面。

①没有学过《信号与系统》课程中拉氏变换、Z变换等知识点，使学生对《自动控制原理》课程直接拿来用变换域分析法不知所措。

②没有学过复变函数理论。由于高数里对微分方程的求解这一内容弱化，导致学生对《自动控制原理》中微分方程的求解和傅里叶变换等章节比较陌生。

③由于学生数学基础知识比较薄弱，因此对很多数学推导过程难以理解，只“知其然，不知其所以然”，长期下去，对整个课程逐渐失去了兴趣。

2.实验课开设课时比较少，无法给理论教学足够的支持。《自动控制原理》这门课程是跟实际结合非常紧密的一门课程，各个行业的自动控制系统都是我们分析的对象，因此可以做的实验内容很多，包括验证性的实验和设计性的实验。而目前学校只开设三个仿真实验，一般不独立设课且不计学分，一方面对学生掌握的程度难以量化，另一方面造成学生对实验缺乏足够的重视，降低了学生进行实验的积极性，对理论体系的支持也不够。

92%的学生认为目前的实验课课时过少，应该加强实验对理论课的支持。通过课后访谈，个别学生还提出，目前的实验都是仿真性的，如果能够在试验箱上搭建具体电路，验证仿真的正确性，则可进一步加深对理论学习的理解。

目前国内许多高校已经意识到了《自动控制原理》的实践性，不同程度地加强了实验部分的比重，有些高校还自行开发实验硬件平台和软件平台［3］。虽然如此，许多高校还普遍存在着理论课内容的讲述与实验课内容分离的现象。导致实验课的内容虽然可以加深学生对理论知识的掌握，但是并未降低学习理论知识的难度，很多学生在学习理论方面还存在一定的困难。综上所述，《自动控制原理》课程传统教学模式亟待改革。

3 MATLAB教学平台的引入与教学改革的实施

3.1 MATLAB教学平台的引入

MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件，它在数学类科技应用软件数值计算方面的地位首屈一指。MATLAB提供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、便捷的与其他程序和语言接口的功能。目前，MATLAB已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具，在国内外高校和研究部门中扮演着重要的角色。在科学运算、自动控制与科学绘图等领域MATLAB语言具有其他软件无法替代的地位[3]。

关于MATLAB平台的引入问题，经调研，大部分学生支持将MATLAB软件平台引入《自动控制原理》课程教学中，且最好先于本课程学习该软件。从课后访谈中获知，大部分学生对于MATLAB语言的学习比较感兴趣，认为在已经学习了C语言的基础上掌握这门课难度并不大。但是根据目前学校的培养计划和课程安排，最多只能做到同步开设MATLAB选修课。

3.2 教学改革的实施与探索

综上所述，《自动控制原理》这门课理论性强，对学生的数学基础要求较高，学生学起来较为抽象。因此在教学改革探索中必须注意引入MATLAB教学平台时课堂理论教学与上机实验的有机结合。经课程组老师反复讨论，决定从以下两个方面对原有的教学模式进行改革。

3.2.1 注重理论课讲述方法，强化数学基础

课堂是教师传授知识的主要场所，而《自动控制原理》又是以介绍方法论为主的课程，比较注重课堂基础环节，因此以课堂教学质量的提升作为实施教学改革的重点尤为重要。在课堂教学中应注重理论结合具体工程实例，开拓学生视野，而不能将理论知识的学习当成简单的公式推导，纯粹理论堆积，激发学生的学习兴趣和学习主动性。同时，应进一步重视学生数学基础知识的巩固和提高。“工欲善其事，必先利其器”，线性代数、复变函数、高等数学、矩阵论等等一些相关的基础理论都是本课程学习必要的数学工具。应尽量抽出时间给学生补习诸如拉普拉斯变换、傅立叶变换、积分变换、矩阵分析等数学知识。

3.2.2 改进授课模式，发挥MATLAB教学平台在理论教学中的作用，降低课程学习难度

具体实施步骤如下。

①修改培养计划，在学生学习本课程的同时开设MATLAB语言这门选修课（08电子、08电气班学生培养计划已经作此修改），并且鼓励低一届学生来选修，让学生提前掌握MATLAB语言这个平台。

②安排在多媒体教室上理论课，并让信息中心安装MATLAB软件，在课堂讲述过程中结合MATLAB平台进行计算或者仿真演示，改变课堂节奏过于单一，PPT讲稿推导过快，学生对知识理论的理解过于粗糙等问题[4]。

③将与实验结合比较紧密的部分章节的理论知识部分放在CAD实验室上，让学生边学习理论知识边动手仿真验证结果，以达到更好的教学效果，同时解决实验课课时不够的问题。在CAD实验室上课时，通过NetOp School电子教室软件，设立互动电脑教室，通过局域网既可以把教师的电脑屏幕广播到所有学生的电脑上作示范，也可以控制单个学生进行一对一互动交流。该软件具有的多种控制功能，是普通多媒体教室无法办到的。一些复杂的理论计算过程，可以通过MATLAB软件仿真计算降低其难度。例如求解控制系统的微分方程，只要利用MATLAB库函数dsolve( )一步就可以解决；又比如求系统的特征根，可以采用理论课中的劳斯判据方法，计算过程比较繁琐，利用MATLAB库函数roots( )也可以一步到位解决问题。教师讲授完毕，通过NetOp School软件释放对学生电脑的控制，让学生自己接着在MATLAB平台上推导和操作。这样，学生对一个知识点能同时进行理论分析和实验仿真分析，通过实验仿真加深对理论知识的理解。

3.3 应用举例

以教材6.3小节[5]设计控制系统的滞后校正为例，设控制系统不可变部分的传递函数为：

其中第二步寻找ωc的过程如果采取理论计算方法，只能利用三角公式：

图1 校正前系统波特图

从图2中可以看到，校正后的相位裕量（pm值）和幅值裕量（Gm值）均超过了预设目标，校正设计成功。

图2 系统校正后的裕量

通过MATLAB的SIMULINK仿真平台，我们可以轻松地画出系统校正前后的仿真模型图，如图3所示。运行该模型并从示波器（scope）中可以观察出校正前后的时域响应图（以阶跃信号作为输入）。不用再重新计算系统的时域参数，从图4中可以直观地看出来，系统从校正前的不稳定状态（震荡发散）过渡到稳定状态，并且稳态误差为0，稳态性能也相当好。由于采用滞后校正导致ωc变小，各种时域参数指标会变差，这在图4当中也有体现出来，系统的响应速度变慢了很多，这也是滞后校正的缺点。

图3 系统滞后校正前后模型图

图4 simulink仿真时域输出波形

将滞后校正这一章节放在CAD实验室MATLAB平台上进行讲授，大大降低了中间环节理论计算的难度，又能准确地画出输出的时域和频域波形，方便学生观察校正后的效果，这些都是在课堂上单一的理论讲授所无法办到的。

4 课程教学改革成效

在教学实践中，通过近两年的不断摸索和改进，上述方法已得到实施，并取得了一定的效果。每学期结束前，我们都通过调查问卷的发放和随机访谈了解教学改革的成效，现总结如下。

4.1 能够化繁为简，化抽象为具体，提高了课堂教学质量

MATLAB平台的引入，尤其是强大的画图工具，使得很多复杂的公式推导和理论计算转化成形象生动的图像，能轻松得出想要的结论。学生不再有畏难的情绪，课堂氛围和学习效果大为改善。通过问卷调查和课后走访发现，90%以上的学生对引入MATLAB平台的《自动控制原理》课程持肯定态度。

4.2 打破实验课和理论课分开讲授的界限，让学生在实验室上理论课

基于MATLAB平台的《自动控制原理》课程教学方法新颖、灵活，使学生化被动听课为主动上课（上机操作），手脑并用，学习效果更明显。部分学生的课后作业也主动运用MATLAB软件来解题，学习的主动性也大为增强。

4.3 学生科研能力进一步提高

MATLAB这一平台的引入是个循序渐进的过程，从简单的数学计算、函数调用一直到复杂编程；从基本操作入手逐步过度到模型建立、计算机辅助分析、辅助设计；最后学会使用MATLAB系统仿真平台(SIMULINK)。对控制系统分析、设计及仿真内容循序渐进的引入都贯穿了培养学生科学研究能力的内涵，为后续课程设计和毕业设计打下坚实基础。

专业基础课的教学改革是一个长期的过程，一个不断研究、不断创新的艰苦过程。我们仅对《自动控制原理》课程的教学改革进行了初步的探索，还有许多工作有待于在今后的教学实践中进一步改进和完善。如何不断用新思想、新理论、新技术去充实和调整理论课的内容体系和教学方法，进一步提高教学质量，更好的培养学生的创新意识和综合素质，才是我们教学改革的最终目标。

［1］曹建云.基于 MATLAB 教学平台的自动控制理论教学改革探索［J］.南通工学院学报，2004，20（4）：133-135.

［2］阮谢永.MATLAB 仿真应用于“自动控制原理”教学的实践［J］.中国电力教育，2010，（12）：81-82.

［3］李彦梅，张三刚.Matlab 在《自动控制原理》教学中的应用［J］.安庆师范学院学报，2010，16（2）：111-113.

［4］程淑红，刘琳等.自动控制理论教学改革的思路与实践［J］.教学研究，2006，29（5）：433-436.

［5］王万良.自动控制原理［M］.北京：高等教育出版社，2008：179-180

Research of Pedagogical Reform of Auto-control Theory Teaching on the MATLAB Platform

WANG Yang

(Taizhou University,Taizhou,318000,China)

With an analysis of the problems of the course of Automation Control Theory in the process of teaching and the characteristics of MATLAB language,this paper discusses the teaching method on the MATLAB platform in portions of the course closely to experiment,using the strong computing power of MATLAB and SIMULINK platform to solve the difficulties of the theory.The problem of experiment lessons in short is solved in addition.Much better teaching results have been achieved reflected by the students.

automatic control theory；MATLAB；teaching innovation

周小莉）

G642

A

1672-3708（2011）03-0076-06

2010-12-23；

2011-02-19

汪 洋(1979- )，男，浙江临海人，硕士，讲师，主要从信号与信息处理方向教学科研工作。