《控制系统仿真与CAD》课程教学改革与实践

刘沅玲

【摘 要】控制系统仿真与CAD是利用MATLAB/Simulink软件对控制系统进行分析与设计，本课程是一门综合性和实践性很强的电气工程及其自动化专业的专业课。基于教学授课中存在的问题，在本课程的教学改革实践环节中，将理论和实践部分内容充分结合，通过多种教学方式的引入以及实验室对应的开放制度的逐步完善，利用线上线下教学的相互结合，既能增强学生的实际仿真分析能力，而且能调动学生的学习积极性，提高教学质量;针对传统考核方式进行改革，将实际工程设计与分析引入考核环节，分组以团队形式进行期末考核，不但能做到学生对仿真理论加深理解，而且促进学生独立思考和建立团队精神，从而提高学生的创造能力、解决问题能力以及独立分析能力。

【关键词】控制系统;MATLAB;教学改革;考核方式

中图分类号： TP391.9-4;G642 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）32-0139-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.32.064

Teaching Reform and Practice of Control System Simulation and CAD

LIU Yuan-ling

（Changchun guanghua university，Changchun Jilin 130031，China）

【Abstract】Control system simulation and CAD is the use of MATLAB/Simulink software to analyze and design the control system， this course is a comprehensive and practical electrical engineering and automation professional course. Based on the problems existing in teaching， in the practice of teaching reform in this course， the theoretical and practical parts of the full combination， through the introduction of a variety of teaching methods and the laboratory corresponding to the gradual improvement of the open system， the use of online and offline teaching of the mutual combination， can not only enhance the students' actual simulation and analysis ability， And can mobilize students' enthusiasm for learning， improve the quality of teaching， reform the traditional assessment methods， introduce the actual engineering design and analysis into the assessment process， group in the form of a team for final assessment， not only can students deepen their understanding of simulation theory， but also promote students to think independently and establish team spirit， This improves students creative， problem-solving and independent analytical abilities.

【Key words】Control System; MATLAB; Teaching Reform; Assessment Methods

0 引言

《控制系统仿真与CAD》是电气工程及其自动化专业课程体系中一门重要的专业基础课，这是一门将控制系统设计，课程设计以及畢业设计等教学环节紧密连接在一起的仿真类课程，该课程一般以《自动控制理论》为先修课程，后续课程有《过程控制系统》、《计算机控制》、《现代控制理论》、《电机及拖动基础》等相关课程[1]。《控制系统建仿真与CAD》是一种有效的计算机辅助设计手段，学生通过对仿真算法和仿真原理的学习，进一步提高对控制系统的认识，加深对先修课程和后续课程的理解，增强自身的实践能力和综合解决问题能力[1]。

1 课堂教学现存问题

本课程是利用MATLAB/Simulink软件讲解自动控制原理、现代控制理论、电机及拖动基础等专业课程中的控制原理与方法的仿真实现，现行的教学中主要存在如下四个方面的问题。

1.1 教学模式对教学效果的影响

基于仿真过程中的大量共性问题，仿真技术逐渐形成了独立的理论，涉及自动控制原理、现代控制、计算机控制技术、过程控制和仿真软件等知识，课程的综合性很强[2]。

《控制系统仿真与CAD》课程中采用的是MATLAB软件，该软件具有对控制系统建模、仿真以及结果分析能力，该软件综合能力强因此教学过程中的关键在于练习，本课程实践性强，因此实验教学是本课程的重要组成部分，通过练习加强学生对仿真过程的理解和掌握。但是介于教学资源有限等多方面的限制，教学过程中的实验课程课时量较少，学生无法做到边学边练的，对于仿真过程无法熟练掌握，课堂理论教学和实验教学分离，导致一些学生在大四做毕业设计的过程中还不能熟练对控制系统进行建模并仿真分析[3]。

1.2 教学内容对教学效果的影响

在《控制系统仿真与CAD》课程中所教授的相关算法、模型建立以及仿真原理等相关知识在过往的课程学习过程中均已讲授过，且部分高校还单独开设MATLAB课程，知识点的重复让学生有“重温”的感觉，甚至产生重复学习的感觉，会令部分学生产生厌学的情绪;部分内容却又让学生有了找不到根基，很飘的感觉。

2 教学改革措施

2.1 学情分析

与《控制系统仿真与CAD》密切相关的课程中，专业课以基础课为基础，所以《控制系统仿真与CAD》在整个课程体系中起到了承上启下的作用。这样电气工程及其自动化专业与《控制系统仿真与CAD》密切相关的基础课、专业基础课、专业课环环相扣、相辅相成，共同构成了完整的教学体系。

2.2 教学模式的改革

针对教学中存在的问题对控制系统仿真与CAD课程进行教学改革，增加课堂气氛，以调动学生的学习积极性，提高教学质量。

2.2.1 教学模式多样性

在《控制系统仿真与CAD》教学内容中包含理论和软件实践两部分，为了使理论和实践部分同时进行，因此授课地点安排在机房，教师通过计算机现场演练，学生随老师边讲解边练习，同时教师能够随时指导学生在练习中遇到的困难，课堂内容生动且课堂气氛活跃，促进学生将理论联系实际，加深学生对于理论和操作的理解和掌握。

2.2.2 加重实践教学

在教学过程中，根据学生掌握相关知识的情况，阶段性的布置一些具有实际工程背景的建模、求解、分析与综合等不同类型的题目，同时根据学生的掌握情况进行分组，一般2～3人一组，同组同题，可以减少抄袭和相互依赖的情况，逐步提高学生发现问题、提出问题、分析问题、解决问题和查阅资料的能力[4]。

2.3 教学方法的改革

2.3.1 课堂教学改革

在教学过程中，增加实际控制系统仿真案例，可偏重实际的工程案例。在课堂上通过讲授理论知识，带领学生进行边讲边练，增加学生的学习兴趣;考虑MATLAB/Simulink软件的普及程度较高，课前将实际案例分块，提前布置学习任务，学生分组完成，激发学生学习的积极性、主动性和团队精神，利用线上讨论提高学生自学能力和参与度，线上线下结合的方式多方面多角度的增加学生对控制仿真的认识。

2.3.2 优化考核与评价方式改革

为了让学生更好地理解控制原理和算法、掌握MATLAB/Simulink软件的语法和操作，考核方式采用“课程平时+面试”的方式。将部分实际工程问题融入到课堂里练习的过程中，由小组成员共同抽签决定小组负责的工程项目，重点考察学生利用MATLAB/Simulink对控制系统的多种表达、各种表达之间的快速转换、系统各指标分析或设定性能指标进行系统的综合设计。最终根据每组所选综合题目的难易程度、题目的完成情况、答辩情况和平时的出勤、线上线下作业情况，得出总成绩。

2.3.3 实验教学改革

实验内容基本覆盖了授课内容。在安排上也围绕课程主线进行，使理论课和实验课成为有机的整体，其目的要求如表1所示。

为了增加课外学生上机练习的机会，适当有组织的开放实验室，利用已有的教学资源，设立实验室开放系统，学生在网站上进行预约，实验室中进行实名打卡，采用谁使用谁管理的方式，避免由于管理不当存在的卫生或者安全问题，同时增加了学生上机练习的机会。

一般实验结果以实验报告的形式形成，学生要整理实验数据，分析实验结果，教师要认真批改实验报告，给出成绩并签名。实验教学考核主要看实验的操作和基于操作形成的报告，考核成绩可占期末总成绩的20%，以提高学生对实验的重视。在考核过程中，可以设计几个具有代表性的典型实验，能够覆盖课程涉及到的基本理论知识，学生综合利用所学習知识的能力得到锻炼。

3 结语

本文针对控制系统计算机仿真课程教学中存在的问题，提出一系列改革措施。实践表明：以上改革措施能够充分调动学生学习的积极性和主动性，其中增加的实际工程案例学生兴趣浓厚，开放实验室也受到了学生的欢迎，课堂氛围更加活跃，师生互动更加频繁;新的考核机制也有效抑制了学生考前突击复习的问题，获得了较好的教学效果。需要指出的是，在上述改革措施当中还存在不完善之处，例如答辩PPT以小组为单位提交并答辩，同组同分数，虽然锻炼了学生合作交流的能力，但是无法对每个人进行科学的考评是一个需要进一步研究的问题。

【参考文献】

[1]曾波霞.高职《计算机应用基础》课程教学改革与实践[J].电子制作，2014，9：134-135.

[2]褚菲，叶宾.对高校控制系统计算机仿真课程教学改革的思考[J].才智，2017.3：136-136.

[3]薛定宇.控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言与应用.第2版[M].北京：清华大学出版社，2006.

[4]金小峥，王忠石.控制系统计算机仿真课程存在的教学问题与改革措施[J].沈阳大学学报（社会科学版），2013，15（1）：78-80.