淺談MATLAB在高職《自動(dòng)控制原理》教學(xué)中的應(yīng)用

張嫻+史東強(qiáng)

【摘要】 《自動(dòng)控制原理》是高職學(xué)生較難掌握的專業(yè)課程之一。本文針對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合課程特點(diǎn)和學(xué)生基礎(chǔ)，將MATLAB軟件與理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合，弱化數(shù)學(xué)推導(dǎo)，以提高課堂教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)控制原理 MATLAB 教學(xué)應(yīng)用

【中圖分類號(hào)】TP13-4；G712 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）34-0244-01

《自動(dòng)控制原理》是高職院校自動(dòng)化專業(yè)的基礎(chǔ)課程，所教授的基本都是抽象的理論知識(shí)。而高職學(xué)生普遍數(shù)學(xué)基礎(chǔ)差，對(duì)較強(qiáng)的理論知識(shí)不感興趣，也缺乏主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性。因此，在側(cè)重動(dòng)手實(shí)踐的高職教育中，淡化數(shù)學(xué)計(jì)算，降低理論難度，同時(shí)又調(diào)動(dòng)起學(xué)生的積極性是十分有必要的。針對(duì)該課程的教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合課程特點(diǎn)和學(xué)生基礎(chǔ)，我們?cè)诶碚摻虒W(xué)中引入MATLAB仿真，弱化數(shù)學(xué)推導(dǎo)，強(qiáng)化軟件使用，增加學(xué)生在學(xué)習(xí)中的參與度，將理論知識(shí)直觀化、圖形化，以提高課堂教學(xué)效果。

一、《自動(dòng)控制原理》課程內(nèi)容

《自動(dòng)控制原理》的教學(xué)路線沿系統(tǒng)概述、系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)校正和系統(tǒng)設(shè)計(jì)來進(jìn)行。其中建模是基礎(chǔ)，它主要包括微分方程的建立，利用拉普拉斯變換得到傳遞函數(shù)。系統(tǒng)分析主要做時(shí)域頻域分析及穩(wěn)定性判斷，系統(tǒng)校正主要講授PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì)，這些都以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)。

傳遞函數(shù)是在拉普拉斯變換基礎(chǔ)上得到的，若采用傳統(tǒng)教學(xué)方式，教師需首先向?qū)W生解釋拉氏變換的概念，推導(dǎo)運(yùn)算定理。要高職學(xué)生理解這些公式推導(dǎo)難度較大，而且會(huì)給他們留下枯燥復(fù)雜的印象，打消他們的學(xué)習(xí)積極性，之后再進(jìn)行系統(tǒng)分析和校正的講解就會(huì)難上加難。

因此我們?cè)谙到y(tǒng)建模時(shí)就引入MATLAB，學(xué)生只需熟記幾個(gè)簡(jiǎn)單地拉氏變換，然后通過軟件使用，自己上機(jī)用程序命令進(jìn)行微分方程求解，拉普拉斯變換，再利用MATLAB＼Simulink做仿真完成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。這種仿真教學(xué)過程弱化了數(shù)學(xué)計(jì)算，將深?yuàn)W的理論知識(shí)變?yōu)楹?jiǎn)單地程序編寫，充分調(diào)動(dòng)起學(xué)生的積極性。

二、MATLAB軟件介紹

MATLAB是MathWork公司推出的一套可進(jìn)行數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示的軟件，它使用方便，內(nèi)含現(xiàn)成函數(shù)庫(kù)，目前已成為高等數(shù)學(xué)、自動(dòng)控制理論等課程的基本工具。

在自動(dòng)控制原理課程中，學(xué)生可通過MATLAB程序或Simulink建模兩種方式進(jìn)行仿真。程序可在命令窗口或m文件中編寫；Simulink可方便學(xué)生建立框圖模型，并隨時(shí)修改參數(shù)。這些優(yōu)點(diǎn)讓學(xué)生從復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算中解脫出來，使他們更容易理解和掌握這門課程。

三、MATLAB在理論教學(xué)中的應(yīng)用

我們把MATLAB作為基本教學(xué)工具，將它與理論知識(shí)有機(jī)結(jié)合。從建模開始就逐步向?qū)W生教授其使用方法。以簡(jiǎn)化程序?yàn)槟繕?biāo)調(diào)動(dòng)起學(xué)生的興趣，并在此過程中完成知識(shí)點(diǎn)的教授。

在講授傳遞函數(shù)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，以RLC串聯(lián)電路為例，我們既教會(huì)學(xué)生通過MATLAB求解微分方程，進(jìn)行拉普拉斯變換，又引入傳遞函數(shù)的概念，為后續(xù)系統(tǒng)分析打下基礎(chǔ)。

相較微分方程，傳遞函數(shù)更簡(jiǎn)單明了。當(dāng)輸入為階躍函數(shù)時(shí)，在MATLAB中調(diào)用step（）可更方便畫出輸出圖形，程序如下：

在這一部分教學(xué)中，我們通過MATLAB中dsolve（），ilaplace（）函數(shù)的使用完成了微分方程求解和拉普拉斯變換知識(shí)點(diǎn)的介紹，又用step（）這一函數(shù)簡(jiǎn)化程序，引入階躍響應(yīng)的概念。

四、結(jié)論

在高職《自動(dòng)控制原理》的教學(xué)中，我們將MATLAB軟件與理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合，本著“淡化計(jì)算，拿來即用”的原則，對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行刪減，讓學(xué)生自己在電腦上利用MATLAB編程操作。這樣的安排使學(xué)生更容易接受、理解和掌握這門課程，也增強(qiáng)了他們學(xué)習(xí)的自信心。

參考文獻(xiàn)：

[1]溫希東，王毅峰.自動(dòng)控制原理及其應(yīng)用（第二版）[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[2]王菲.高職《自動(dòng)控制原理與應(yīng)用》課程教學(xué)改革初探[J].課程教育研究，2015（5）.

[3]李莉.改善教學(xué)方法，淡化數(shù)學(xué)計(jì)算——對(duì)高職自動(dòng)化專業(yè)《自動(dòng)控制原理》教學(xué)方法感想[J].科技信息，2010（10）.

作者簡(jiǎn)介：

張嫻（1986—），女，江蘇徐州人，助教，博士，研究方向：自動(dòng)控制；容錯(cuò)控制。