“自动控制理论”课程GUI教学平台建设

孟庆松, 孙晓波

(哈尔滨理工大学 自动化学院， 黑龙江 哈尔滨 150080)

0　引言

“自动控制理论”作为自动化专业的主干课程和专业基础课，其课程建设与改革是全面提高本专业教学质量的根本途径。而作为自动化专业的学生，理解该课程相关工程背景，具备实际解决问题的能力和创新能力是专业培养的重要目标。针对目前我校在该课程教学过程中所出现的问题与矛盾，如何使学生从被动的“背公式、做习题”转变为主动理解知识，主动培养其独立解决问题能力与创新意识已成为教学中急需解决的问题[1,2]。因此，有必要对该课程按照实际的社会需求进行教学改革与探索。

1　教学模式改革与平台设计

“自动控制理论”课程要进行教学改革，需要在教学模式改进、多媒体课件制作、互动式教学等多方面做大量的工作。其遵循的原则可以概括为三个方面：①从以传授知识为主要目标的传统型教育转变为以培养能力为主要目标的创新型教育；②从以教师为中心的填鸭式教育转变为教师主导作用与学生主体作用相结合的探究式教育；③从传统的教育模式转变为运用现代教育技术辅以传统教学模式的新型模式[3,4]。

为达到上述目标，需实现如下三个结合：

(1)传统教学方式和多媒体教学方式相结合：多媒体教学是课堂传统教学的有效辅助手段，主讲教师充分发挥多媒体在展示动画、语音、图形、图像等方面的优势，调动学生学习的积极性、主动性，为课堂教学提供活力，提高课堂教学效率。教师根据课程内容发挥多媒体教学和传统教学各自的优点，达到互补；而理论推导过程依靠传统的教学模式，以板书的形式展现给学生，便于学生理解与掌握。

(2)传统教学方式与Matlab相结合：Matlab提供了强大的数值计算与图形界面功能，将Matlab与自动控制理论相结合，充分发挥Matlab在“自动控制原理”教学中的应用，可以达到令人满意的教学效果。例如对于根轨迹、Bode图和Nyquist图可以利用Matlab对其进行绘制，这样就给学生留下了直观印象，便于理解与掌握。

(3)传统教学与网络教学相结合：网络教学是课堂教学的延伸。通过网络教学，学生可以加深对课堂教学内容的理解，扩大知识面，并提高分析问题、解决问题的能力。充分发挥网络资源的优势，在拓宽知识面、提高教学效率、因材施教等方面对课堂教学起到了很好的补充作用，有利于充分发挥学生的主观能动性。

具体实施途径是建设一个基于GUI的教学平台，在这个平台上，把Matlab/Simulink软件穿插到课程的各个章节中，以实现对控制系统的仿真，使学生通过可视化的画面加深对理论的理解，也可以作为辅助工具方便地实现对控制系统的分析与设计。

对于控制系统的分析与图形的绘制，采用自主开发的图形用户界面GUI(Graphical User Interface)辅助教学系统。GUI辅助教学系统主要内容为系统模型建立与转换、控制系统时域分析、控制系统频域分析、控制系统根轨迹分析等等。在GUI辅助教学系统中应用Matlab软件的图形界面设计软件包使计算结果图形化，能更直观地理解调整参数时系统性能的变化趋势，省去繁琐的计算过程，帮助学生更好地理解系统的控制过程，掌握参数的调整方法与思路。仿真软件可以在课堂上进行演示，让学生直观明了地观察系统在分析、设计、校正时输出特性的变化过程，可以很好地起到辅助教学的目的。该平台不仅有助于教师的课堂教学，还可帮助学生课下自主学习该课程，解答在平时课下学习时遇到的各种问题以及直观形象地理解与掌握课堂教学中的抽象概念与复杂控制思想。

2　教学平台建设与实践

“自动控制理论”课程基于GUI的教学平台包含基于GUI的课程辅助教学与自主学习平台和基于GUI的课程虚拟实验平台的两大部分。

2.1　辅助教学与自主学习平台

该平台基于GUI技术应用Matlab软件或Simulink仿真工具对“自动控制理论”中的各个章节的知识点进行辅助分析、设计与实现以及帮助学生课下自主学习，具体有三部分的内容：

1)古典控制理论部分

这里包含系统的模型、时域分析、根轨迹分析、频域分析、基于Bode图的系统设计、非线性系统分析以及离散系统分析与综合等教学内容。下面通过简单介绍古典控制理论部分的几个图形界面来展示其功能。

该平台主要是面向教师和学生的图形交互式控制系统分析与设计软件，具有标准WINDOWS风格的操作菜单，如图1所示，主界面的一级菜单含有模型建立、模型转换、系统分析、系统设计、仿真实验、帮助，用以表示所具有的基本功能。其主要分成三大部分，即系统分析、系统设计、仿真实验,其中系统分析与系统设计部分又分别包含了三个子菜单，即线性连续系统、采样控制系统、典型非线性系统，而通过帮助菜单可随时了解该窗体的相关内容和操作方法。各菜单均为Matlab的应用程序，以相应的M文件和图形文件的形式给出。此外要说明的是，系统分析和系统设计部分主要是用Matlab的控制系统工具箱实现的，而仿真实验部分则利用Simulink环境设计的。

图1　古典控制理论部分的主界面

该教学软件在教师授课时可与课件随意切换，进行举例、画图、计算、演示等，真正实现了计算机的辅助教学，避免了只有课件的多媒体教学容易出现的把黑板搬到屏幕上的缺陷。也可将其作为学生课外学习该课程的辅助工具，比如作为演算习题、检验作业和仿真实验的平台，从而提高了学生自主学习的积极性和创造性。

通过菜单“模型建立”在输入框内可以方便地设定系统的多种形式的模型参数，如图2所示为系统模型输入的界面。而通过菜单“模型转换”可实现在传递函数模型、零极点模型及状态空间模型之间的相互转换；在利用Matlab语言对控制系统进行辅助分析与设计时，方法是多种多样的。通过菜单“系统分析”则可以在指定区域内画出系统的阶跃响应或脉冲响应等曲线，然后通过鼠标点击指标按钮，即调用相应的自编算法程序对系统时域指标自动地加以分析，并将分析结果(如五大特征量)标注到图形中的相应位置，如图3所示。为了增强学生的学习效果，我们还自行编写了一些实用的辅助分析程序，如在时域分析图形界面上，通过鼠标的取点操作就可以手工地在各种响应曲线上读取关键点所对应的坐标，以便于对数据结果进行精确的分析、计算、比对等等。

图2　古典控制理论部分的模型输入界面

图3 古典控制理论部分的时域分析之单位阶跃响应曲线界面

通过菜单“系统设计”可以实现对系统的Bode图法、根轨迹法、状态空间法、PID控制器的Ziegler-Nichols整定法等的设计，其中Bode图法与根轨迹法设计又分别分为串联超前、串联滞后、串联滞后-超前和并联等校正方案。如图4所示为Bode图法的串联超前校正。

图4　古典控制理论部分的系统校正界面

2)现代控制理论部分

这里包含状态空间描述、系统运动分析、李雅普诺夫稳定性分析、能控性与能观测性、极点配置与状态反馈以及状态观测器设计等相关内容。

3)系统响应曲线的比对

分析系统参数的变化对控制系统稳定性、动态特性及稳态特性的影响，它主要包括：

(1)系统零极点对系统根轨迹及系统性能的影响；

(2)二阶系统不同的阻尼比与无阻尼自振频率对系统时域响应的影响；

(3)采用不同的典型控制器对系统性能的影响；

(4)离散系统中采样频率的选择对控制系统的影响；

(5)不同的非线性环节对控制系统稳定性及动态性能的影响等等。

2.2　基于GUI的课程虚拟实验平台

用虚拟实验软件平台代替传统实验室，用软件模拟实际硬件的功能，节约了成本，不受实验时间和场地的限制，提高了实验教学效果，既培养了学生在计算机仿真和系统设计方面的能力，同时又不忽略对被控系统的工程背景认识，还可以加深学生对所学理论知识的理解，提高实践动手能力。

鉴于虚拟实验技术的优势与“自动控制理论”与工程实际紧密联系的特点，以一个完整的实际控制系统为范例开发与设计基于GUI技术的自动控制理论课程的虚拟实验教学平台，并贯穿于整个教学过程的始终，是本教学平台的一个特色。由于考虑到古典控制理论与现代控制理论面向的被控系统不同，即单变量与多变量控制系统之分，我们拟分别以水箱液位控制系统(单变量系统)与倒立摆(多变量系统)为示例对古典控制理论与现代控制理论进行虚拟实验设计。

由于“自动控制理论”课程分在两个学期里加以讲授，所以虚拟实验平台也分为两部分：

1)古典控制理论虚拟实验平台

首先介绍水箱液位控制系统的结构(包括液位对象、阀门、液位计等设备)及其工作原理，然后按照给定的系统参数建立系统的模型，并对其进行时域分析、根轨迹分析以及频域分析，最后根据要求的性能指标要求进行控制系统设计。具体完成的任务包括建立系统模型，并对其稳定性、动态特性、稳态特性进行分析，最后进行控制器的设计。这里可以对四种类型的控制系统进行虚拟实验：

(1)单容水箱液位控制系统(一阶系统)；

(2)双容水箱液位控制系统(二阶系统)；

(3)三容水箱液位控制系统(三阶系统)；

(4)含时滞环节水箱液位系统(时滞系统)。

2)现代控制理论虚拟实验平台

由于倒立摆作为一个多变量强耦合的系统，是现代控制理论教学的理想实验平台。许多典型的控制方法，如PID控制、状态反馈、状态观测器设计等，都可以通过该系统加以实现。通过此基于GUI的虚拟实验平台，提供系统模型的建立、多种控制律设计、控制参数整定等方面的研究，使学生掌握控制系统分析与设计方法，培养学生分析问题与解决问题的能力。具体完成的任务包括建立系统模型及其线性化，完成各模型形式间的转换以及各规范标准型的实现，分析系统的能控性与能观测性，最后通过状态反馈实现极点配置的目标。这里可以对两种类型的控制系统进行虚拟实验：

(1)一级倒立摆系统；

(2)二级倒立摆系统。

虚拟实验平台的建设可以有效地弥补实际实验设备的不足，节约了成本，不受实验时间和场地的限制，由浅入深的工程实例激发学生对课程内容的认知热情，有利于提高学生的学习兴趣和独立思维能力，培养学生在计算机仿真和系统设计方面的能力，还可以加深学生对所学理论知识的理解，提高实践动手能力。

该平台力求将一套完整理论中的各个知识点与同一个典型的实例结合讲解，可揭示出各个知识点之间的相互关系。学生逐渐熟悉该系统，理解起来具有连贯性。同时，采用图形化用户界面、开放式接口，供用户自行构建系统，实现系统的仿真，满足学生自主学习的需求。

3　结语

在“自动控制理论”教学过程中通过基于GUI的教学平台，将该课程各个知识点的理解问题变得更为直观立体，通过基于GUI的课程虚拟实验平台，将课程内容变得系统化与工程化。这样的教学模式既可以使学生掌握理论知识更准确深入，又可以培养学生的工程思维与系统概念，以提高教学质量和实现有特色的应用型人才的培养目标。

参考文献：

[1]孟庆松,谭冲,孙晓波等. 基于工程教育认证的自动化专业自动控制理论课程教学改革与实践[J].南宁：高校电子电气课程教学系列报告会论文集(2015).

[2]田玉平.探索自动控制原理课程教学体系改革之路[J].南京：电气电子教学学报,2010,30(3).

[3]万敏，王瑛.注重工程应用的自动控制原理实验教学改革[J].石家庄：教育教学论坛,2014,(44).

[4]刘峰,邵世凡.自动控制原理课程教学方法探索与改革[J].北京：中国电力教育,2012,(24).

[5]刘中,袁少强，张军香.自动控制原理实验课的改革与实践[J].上海：实验室研究与探索，2012,32(11).