基于MATLAB软件和NI ELVIS平台的自动控制原理课程教学研究与改革

张星红　王汝锋　赵志国

摘  要：自动控制原理是多学科交叉的一门专业课，注重理论和实践的密切结合。该文通过对自动控制原理的抽象化和强理论性等特点以及学生学习缺乏积极性和主动性等问题的分析，为提高教学质量，深化课程的教学改革，培养学生分析和解决实际问题的能力，将MATLAB语言、NI ELVIS硬件平台和自动控制理论有机结合起来。理实平台结合的教学手段，丰富了课堂的多元化和创新性。学生可以直观地分析理论，编写相应控制程序，提高了学生的编程能力、创新思维能力和辩证思维能力，调动了学生对学习的积极性和主动性，大幅度提高了课堂教学效果。

关键词：自动控制原理  MATLAB软件   NI ELVIS平台  教学改革

中图分类号：G642.0    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）05（c）-0015-02

1  教学过程存在的主要问题

1.1 推导理论性强、内容抽象化

课程涉及的数学基础较为广泛，从高等数学、复变函数、工程高等代数到离散数学等，这些数学推导内容理论性强、教学内容抽象化、公式推导复杂化，无法给学生一种直观的感性认知和理解。

1.2 实验与理论未同步，教学理念滞后

由于实验课不能与理论课同步进行，理论先行实验滞后的教学理念，使实验环节与理论教学有一定的时间间隔，这样学生将无法及时用实验验证理论的正确性。同时，自控原理的实验环节几乎都是针对理论教学知识的验证，缺少相关课程之间的联系，尽管学生做了实验，但无法从系统的角度把握所学知识，更谈不上融会贯通和学以致用。

1.3 教学手段单一

由于自动控制原理中理论推导较多、作图方法较多，在课堂教学中，仅用PPT课件和黑板的教学手法具有单一性、枯燥性，无法给学生一种直观的感性认知和理解。这种教学手段很容易造成学生注意力分散和理解困难，从而对这门课程产生抵触情绪。

1.4 学时分配不足

自动控制原理内容丰富，理论复杂，目前的理论教学仅40学时，实验8学时，在满足教学进度需要的同时，使得许多知识点和课后习题均无法在课堂上进行详细讲解，进一步加大了教学的难度。

针对以上教学过程中存在的问题，为了提高学生的学习积极性，提高老师的教学质量，在教学过程中采用MATLAB软件和理论有机结合起来，借助于NI ELVIS硬件平台开展自动控制原理课程实验，以达到所设想的教学效果。

2  基于MATLAB软件的自动控制原理的理论课程研究与改革

在教学过程中，我们将MATLAB语言和自动控制理论有机结合起来，既降低了理论的抽象性，增强了直观性，又让学生在课堂教学中学会使用用途极广的编程语言。在时域分析章节中，系统的输入输出信号都是随时间变化而变化的，采用MATLAB语言可以帮助学生调用各种显示动画指令，直观地分析各种信息随时间变化而变化的过程，克服了教学内容的抽象化。例如，在已知传递函数求系统时域响应的过程中，首先，给学生分析理论思路;其次，依据响应概念，用数学思维进行推导;最后，调用MATLAB的一些控制系统模型，让学生在Simulink环境中进行仿真，深入了解一个系统是如何组成、各个环节的传递函数以什么方式进行关联的系统又是如何运作等问题。这样既深化了系统模型方面的概念，又轻松地学会了如何使用MATLAB语言中的仿真工具Simulink。

3  基于NI ELVIS平台的自动控制原理的实验课程研究与改革

选择了NI ELVIS硬件平台和LabVIEW软件环境开展自动控制原理课程实验的改革。这主要是因为NI ELVIS结合了多种现成的仪器功能，但同时也支持利用LabVIEWW软件开发特别的实验功能，而且NI ELVIS和LabVIEW软件为学生提供了一个可扩展发挥的实验环境，可以改变以往按部就班、单纯验证的实验方式。下面举例说明。

以典型的二阶系统稳定性分析为例，对课程实验的改革进行诠释。

（1）实验接线。

实验指导书上，给定二阶系统模拟电路图，对电路图进行分析，这样在学习该课程的同时，也能够让学生体会到本科和其他课程的相关性。

（2）实物连线。

结合电路模拟图，在控制电路板对实物进行连线，在动手的过程中，更好地培养学生的操作能力和逻辑思维能力。

（3）软件设置。

设置采样率类型为单次采样，如图1中A;采样率设置为1K，如图1中B;采样长度为4K，如图1中C;设置信号幅值为1，如图1中D;设置信号输出，将“信号输出”按钮点亮，如图1中E。

（4）分析其稳定性。

学生虽然不需要自己搭建电路编写程序，但是按照顺序做完一些列实验，可根据波形分析系统的性能，直观地体会“稳”“快”“准”的系统性能。比如，从图1可以看出系统的上升时间不到0.5，峰值时间约0.5，系统最终是稳定的，且收敛于1。学生学好基本的实验之后，还可以自由发挥，在操作的过程中，可改变其数据，可得到不同的图像，从不同的曲线分析均系统的性能，可经过对图像分析更好地诠释理论知识。

4  结语

将MATLAB语言和NI ELVIS硬件平台应用于自控原理课程教学改革中，可以使MATLAB语言、NI ELVIS硬件平台和自动控制原理课程的内容有效地结合。既能降减弱自动控制原理的抽象性，又可以增强理论的直观性，让学生在有限的课堂时间中轻松地学会自动控制原理的理论知识，同时也学会了MATLAB编程工具和了解了NI ELVIS硬件平台。从而有效地提高学生的学习效率，激发学生学习该课程的兴趣。

參考文献

[1] 李蕾，牛海侠，吕雪.《机械工程控制基础》特色课程建设与实践探索[J].内燃机与配件，2019（15）：261-263.

[2] 孙书蕾，赵立慧.《机械工程控制基础》教学改革的探索与实践[J].广东化工，2017，44（22）：179-186.