“自動(dòng)控制理論”課程GUI教學(xué)平臺(tái)建設(shè)

孟慶松, 孫曉波

(哈爾濱理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150080)

0　引言

“自動(dòng)控制理論”作為自動(dòng)化專業(yè)的主干課程和專業(yè)基礎(chǔ)課，其課程建設(shè)與改革是全面提高本專業(yè)教學(xué)質(zhì)量的根本途徑。而作為自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，理解該課程相關(guān)工程背景，具備實(shí)際解決問題的能力和創(chuàng)新能力是專業(yè)培養(yǎng)的重要目標(biāo)。針對目前我校在該課程教學(xué)過程中所出現(xiàn)的問題與矛盾，如何使學(xué)生從被動(dòng)的“背公式、做習(xí)題”轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)理解知識(shí)，主動(dòng)培養(yǎng)其獨(dú)立解決問題能力與創(chuàng)新意識(shí)已成為教學(xué)中急需解決的問題[1,2]。因此，有必要對該課程按照實(shí)際的社會(huì)需求進(jìn)行教學(xué)改革與探索。

1　教學(xué)模式改革與平臺(tái)設(shè)計(jì)

“自動(dòng)控制理論”課程要進(jìn)行教學(xué)改革，需要在教學(xué)模式改進(jìn)、多媒體課件制作、互動(dòng)式教學(xué)等多方面做大量的工作。其遵循的原則可以概括為三個(gè)方面：①從以傳授知識(shí)為主要目標(biāo)的傳統(tǒng)型教育轉(zhuǎn)變?yōu)橐耘囵B(yǎng)能力為主要目標(biāo)的創(chuàng)新型教育；②從以教師為中心的填鴨式教育轉(zhuǎn)變?yōu)榻處熤鲗?dǎo)作用與學(xué)生主體作用相結(jié)合的探究式教育；③從傳統(tǒng)的教育模式轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)用現(xiàn)代教育技術(shù)輔以傳統(tǒng)教學(xué)模式的新型模式[3,4]。

為達(dá)到上述目標(biāo)，需實(shí)現(xiàn)如下三個(gè)結(jié)合：

(1)傳統(tǒng)教學(xué)方式和多媒體教學(xué)方式相結(jié)合：多媒體教學(xué)是課堂傳統(tǒng)教學(xué)的有效輔助手段，主講教師充分發(fā)揮多媒體在展示動(dòng)畫、語音、圖形、圖像等方面的優(yōu)勢，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性，為課堂教學(xué)提供活力，提高課堂教學(xué)效率。教師根據(jù)課程內(nèi)容發(fā)揮多媒體教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)各自的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到互補(bǔ)；而理論推導(dǎo)過程依靠傳統(tǒng)的教學(xué)模式，以板書的形式展現(xiàn)給學(xué)生，便于學(xué)生理解與掌握。

(2)傳統(tǒng)教學(xué)方式與Matlab相結(jié)合：Matlab提供了強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算與圖形界面功能，將Matlab與自動(dòng)控制理論相結(jié)合，充分發(fā)揮Matlab在“自動(dòng)控制原理”教學(xué)中的應(yīng)用，可以達(dá)到令人滿意的教學(xué)效果。例如對于根軌跡、Bode圖和Nyquist圖可以利用Matlab對其進(jìn)行繪制，這樣就給學(xué)生留下了直觀印象，便于理解與掌握。

(3)傳統(tǒng)教學(xué)與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)相結(jié)合：網(wǎng)絡(luò)教學(xué)是課堂教學(xué)的延伸。通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，學(xué)生可以加深對課堂教學(xué)內(nèi)容的理解，擴(kuò)大知識(shí)面，并提高分析問題、解決問題的能力。充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)勢，在拓寬知識(shí)面、提高教學(xué)效率、因材施教等方面對課堂教學(xué)起到了很好的補(bǔ)充作用，有利于充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。

具體實(shí)施途徑是建設(shè)一個(gè)基于GUI的教學(xué)平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)上，把Matlab/Simulink軟件穿插到課程的各個(gè)章節(jié)中，以實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)的仿真，使學(xué)生通過可視化的畫面加深對理論的理解，也可以作為輔助工具方便地實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。

對于控制系統(tǒng)的分析與圖形的繪制，采用自主開發(fā)的圖形用戶界面GUI(Graphical User Interface)輔助教學(xué)系統(tǒng)。GUI輔助教學(xué)系統(tǒng)主要內(nèi)容為系統(tǒng)模型建立與轉(zhuǎn)換、控制系統(tǒng)時(shí)域分析、控制系統(tǒng)頻域分析、控制系統(tǒng)根軌跡分析等等。在GUI輔助教學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用Matlab軟件的圖形界面設(shè)計(jì)軟件包使計(jì)算結(jié)果圖形化，能更直觀地理解調(diào)整參數(shù)時(shí)系統(tǒng)性能的變化趨勢，省去繁瑣的計(jì)算過程，幫助學(xué)生更好地理解系統(tǒng)的控制過程，掌握參數(shù)的調(diào)整方法與思路。仿真軟件可以在課堂上進(jìn)行演示，讓學(xué)生直觀明了地觀察系統(tǒng)在分析、設(shè)計(jì)、校正時(shí)輸出特性的變化過程，可以很好地起到輔助教學(xué)的目的。該平臺(tái)不僅有助于教師的課堂教學(xué)，還可幫助學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)該課程，解答在平時(shí)課下學(xué)習(xí)時(shí)遇到的各種問題以及直觀形象地理解與掌握課堂教學(xué)中的抽象概念與復(fù)雜控制思想。

2　教學(xué)平臺(tái)建設(shè)與實(shí)踐

“自動(dòng)控制理論”課程基于GUI的教學(xué)平臺(tái)包含基于GUI的課程輔助教學(xué)與自主學(xué)習(xí)平臺(tái)和基于GUI的課程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的兩大部分。

2.1　輔助教學(xué)與自主學(xué)習(xí)平臺(tái)

該平臺(tái)基于GUI技術(shù)應(yīng)用Matlab軟件或Simulink仿真工具對“自動(dòng)控制理論”中的各個(gè)章節(jié)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行輔助分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)以及幫助學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)，具體有三部分的內(nèi)容：

1)古典控制理論部分

這里包含系統(tǒng)的模型、時(shí)域分析、根軌跡分析、頻域分析、基于Bode圖的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、非線性系統(tǒng)分析以及離散系統(tǒng)分析與綜合等教學(xué)內(nèi)容。下面通過簡單介紹古典控制理論部分的幾個(gè)圖形界面來展示其功能。

該平臺(tái)主要是面向教師和學(xué)生的圖形交互式控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)軟件，具有標(biāo)準(zhǔn)WINDOWS風(fēng)格的操作菜單，如圖1所示，主界面的一級(jí)菜單含有模型建立、模型轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真實(shí)驗(yàn)、幫助，用以表示所具有的基本功能。其主要分成三大部分，即系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真實(shí)驗(yàn),其中系統(tǒng)分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分又分別包含了三個(gè)子菜單，即線性連續(xù)系統(tǒng)、采樣控制系統(tǒng)、典型非線性系統(tǒng)，而通過幫助菜單可隨時(shí)了解該窗體的相關(guān)內(nèi)容和操作方法。各菜單均為Matlab的應(yīng)用程序，以相應(yīng)的M文件和圖形文件的形式給出。此外要說明的是，系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分主要是用Matlab的控制系統(tǒng)工具箱實(shí)現(xiàn)的，而仿真實(shí)驗(yàn)部分則利用Simulink環(huán)境設(shè)計(jì)的。

圖1　古典控制理論部分的主界面

該教學(xué)軟件在教師授課時(shí)可與課件隨意切換，進(jìn)行舉例、畫圖、計(jì)算、演示等，真正實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的輔助教學(xué)，避免了只有課件的多媒體教學(xué)容易出現(xiàn)的把黑板搬到屏幕上的缺陷。也可將其作為學(xué)生課外學(xué)習(xí)該課程的輔助工具，比如作為演算習(xí)題、檢驗(yàn)作業(yè)和仿真實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，從而提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性和創(chuàng)造性。

通過菜單“模型建立”在輸入框內(nèi)可以方便地設(shè)定系統(tǒng)的多種形式的模型參數(shù)，如圖2所示為系統(tǒng)模型輸入的界面。而通過菜單“模型轉(zhuǎn)換”可實(shí)現(xiàn)在傳遞函數(shù)模型、零極點(diǎn)模型及狀態(tài)空間模型之間的相互轉(zhuǎn)換；在利用Matlab語言對控制系統(tǒng)進(jìn)行輔助分析與設(shè)計(jì)時(shí)，方法是多種多樣的。通過菜單“系統(tǒng)分析”則可以在指定區(qū)域內(nèi)畫出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)或脈沖響應(yīng)等曲線，然后通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊指標(biāo)按鈕，即調(diào)用相應(yīng)的自編算法程序?qū)ο到y(tǒng)時(shí)域指標(biāo)自動(dòng)地加以分析，并將分析結(jié)果(如五大特征量)標(biāo)注到圖形中的相應(yīng)位置，如圖3所示。為了增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，我們還自行編寫了一些實(shí)用的輔助分析程序，如在時(shí)域分析圖形界面上，通過鼠標(biāo)的取點(diǎn)操作就可以手工地在各種響應(yīng)曲線上讀取關(guān)鍵點(diǎn)所對應(yīng)的坐標(biāo)，以便于對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行精確的分析、計(jì)算、比對等等。

圖2　古典控制理論部分的模型輸入界面

圖3 古典控制理論部分的時(shí)域分析之單位階躍響應(yīng)曲線界面

通過菜單“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”可以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的Bode圖法、根軌跡法、狀態(tài)空間法、PID控制器的Ziegler-Nichols整定法等的設(shè)計(jì)，其中Bode圖法與根軌跡法設(shè)計(jì)又分別分為串聯(lián)超前、串聯(lián)滯后、串聯(lián)滯后-超前和并聯(lián)等校正方案。如圖4所示為Bode圖法的串聯(lián)超前校正。

圖4　古典控制理論部分的系統(tǒng)校正界面

2)現(xiàn)代控制理論部分

這里包含狀態(tài)空間描述、系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析、李雅普諾夫穩(wěn)定性分析、能控性與能觀測性、極點(diǎn)配置與狀態(tài)反饋以及狀態(tài)觀測器設(shè)計(jì)等相關(guān)內(nèi)容。

3)系統(tǒng)響應(yīng)曲線的比對

分析系統(tǒng)參數(shù)的變化對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性及穩(wěn)態(tài)特性的影響，它主要包括：

(1)系統(tǒng)零極點(diǎn)對系統(tǒng)根軌跡及系統(tǒng)性能的影響；

(2)二階系統(tǒng)不同的阻尼比與無阻尼自振頻率對系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)的影響；

(3)采用不同的典型控制器對系統(tǒng)性能的影響；

(4)離散系統(tǒng)中采樣頻率的選擇對控制系統(tǒng)的影響；

(5)不同的非線性環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)性能的影響等等。

2.2　基于GUI的課程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，用軟件模擬實(shí)際硬件的功能，節(jié)約了成本，不受實(shí)驗(yàn)時(shí)間和場地的限制，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，既培養(yǎng)了學(xué)生在計(jì)算機(jī)仿真和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的能力，同時(shí)又不忽略對被控系統(tǒng)的工程背景認(rèn)識(shí)，還可以加深學(xué)生對所學(xué)理論知識(shí)的理解，提高實(shí)踐動(dòng)手能力。

鑒于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的優(yōu)勢與“自動(dòng)控制理論”與工程實(shí)際緊密聯(lián)系的特點(diǎn)，以一個(gè)完整的實(shí)際控制系統(tǒng)為范例開發(fā)與設(shè)計(jì)基于GUI技術(shù)的自動(dòng)控制理論課程的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，并貫穿于整個(gè)教學(xué)過程的始終，是本教學(xué)平臺(tái)的一個(gè)特色。由于考慮到古典控制理論與現(xiàn)代控制理論面向的被控系統(tǒng)不同，即單變量與多變量控制系統(tǒng)之分，我們擬分別以水箱液位控制系統(tǒng)(單變量系統(tǒng))與倒立擺(多變量系統(tǒng))為示例對古典控制理論與現(xiàn)代控制理論進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

由于“自動(dòng)控制理論”課程分在兩個(gè)學(xué)期里加以講授，所以虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也分為兩部分：

1)古典控制理論虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

首先介紹水箱液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(包括液位對象、閥門、液位計(jì)等設(shè)備)及其工作原理，然后按照給定的系統(tǒng)參數(shù)建立系統(tǒng)的模型，并對其進(jìn)行時(shí)域分析、根軌跡分析以及頻域分析，最后根據(jù)要求的性能指標(biāo)要求進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。具體完成的任務(wù)包括建立系統(tǒng)模型，并對其穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性、穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行分析，最后進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)。這里可以對四種類型的控制系統(tǒng)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)：

(1)單容水箱液位控制系統(tǒng)(一階系統(tǒng))；

(2)雙容水箱液位控制系統(tǒng)(二階系統(tǒng))；

(3)三容水箱液位控制系統(tǒng)(三階系統(tǒng))；

(4)含時(shí)滯環(huán)節(jié)水箱液位系統(tǒng)(時(shí)滯系統(tǒng))。

2)現(xiàn)代控制理論虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

由于倒立擺作為一個(gè)多變量強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，是現(xiàn)代控制理論教學(xué)的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。許多典型的控制方法，如PID控制、狀態(tài)反饋、狀態(tài)觀測器設(shè)計(jì)等，都可以通過該系統(tǒng)加以實(shí)現(xiàn)。通過此基于GUI的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提供系統(tǒng)模型的建立、多種控制律設(shè)計(jì)、控制參數(shù)整定等方面的研究，使學(xué)生掌握控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生分析問題與解決問題的能力。具體完成的任務(wù)包括建立系統(tǒng)模型及其線性化，完成各模型形式間的轉(zhuǎn)換以及各規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)型的實(shí)現(xiàn)，分析系統(tǒng)的能控性與能觀測性，最后通過狀態(tài)反饋實(shí)現(xiàn)極點(diǎn)配置的目標(biāo)。這里可以對兩種類型的控制系統(tǒng)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)：

(1)一級(jí)倒立擺系統(tǒng)；

(2)二級(jí)倒立擺系統(tǒng)。

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)可以有效地彌補(bǔ)實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足，節(jié)約了成本，不受實(shí)驗(yàn)時(shí)間和場地的限制，由淺入深的工程實(shí)例激發(fā)學(xué)生對課程內(nèi)容的認(rèn)知熱情，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和獨(dú)立思維能力，培養(yǎng)學(xué)生在計(jì)算機(jī)仿真和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的能力，還可以加深學(xué)生對所學(xué)理論知識(shí)的理解，提高實(shí)踐動(dòng)手能力。

該平臺(tái)力求將一套完整理論中的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)與同一個(gè)典型的實(shí)例結(jié)合講解，可揭示出各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的相互關(guān)系。學(xué)生逐漸熟悉該系統(tǒng)，理解起來具有連貫性。同時(shí)，采用圖形化用戶界面、開放式接口，供用戶自行構(gòu)建系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的仿真，滿足學(xué)生自主學(xué)習(xí)的需求。

3　結(jié)語

在“自動(dòng)控制理論”教學(xué)過程中通過基于GUI的教學(xué)平臺(tái)，將該課程各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的理解問題變得更為直觀立體，通過基于GUI的課程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將課程內(nèi)容變得系統(tǒng)化與工程化。這樣的教學(xué)模式既可以使學(xué)生掌握理論知識(shí)更準(zhǔn)確深入，又可以培養(yǎng)學(xué)生的工程思維與系統(tǒng)概念，以提高教學(xué)質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)有特色的應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]孟慶松,譚沖,孫曉波等. 基于工程教育認(rèn)證的自動(dòng)化專業(yè)自動(dòng)控制理論課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].南寧：高校電子電氣課程教學(xué)系列報(bào)告會(huì)論文集(2015).

[2]田玉平.探索自動(dòng)控制原理課程教學(xué)體系改革之路[J].南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(3).

[3]萬敏，王瑛.注重工程應(yīng)用的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].石家莊：教育教學(xué)論壇,2014,(44).

[4]劉峰,邵世凡.自動(dòng)控制原理課程教學(xué)方法探索與改革[J].北京：中國電力教育,2012,(24).

[5]劉中,袁少強(qiáng)，張軍香.自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課的改革與實(shí)踐[J].上海：實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012,32(11).