MATLAB在“自動控制原理”課程中的應用研究

河北農業(yè)大學 李珊珊 孔德剛 弋景剛 袁永偉 劉江濤

引言

自動控制原理是電氣與自動化專業(yè)一門重要的專業(yè)技術基礎課，該課程在內容體系中起著承上啟下的作用。主要介紹討論了單輸入—單輸出定常系統(tǒng)的控制問題，講授經典控制理論的三大分析方法——時域分析法、根軌跡分析法和頻域分析法，自動控制系統(tǒng)綜合與校正的一般方法和非線性系統(tǒng)等內容，課程具有一定的抽象性，包含大量的數學內容和復雜計算。通過學習，要求學生系統(tǒng)掌握自動控制的基本原理和基本方法，并能對控制系統(tǒng)進行定性分析、定量計算和綜合設計。學生普遍反映難以理解，內容枯燥。基于此，需要對教學內容及教學方法進行更新，在教學中引入了MATLAB編程語言。

1 現代教育理念

1.1 以學生為中心

美國人本主義心理學家卡爾·羅杰斯于1952年提出“以學生為本”的教育理念，主張促進學生個性發(fā)展、人格完善和潛能發(fā)揮，使他們能夠愉快地、創(chuàng)造性地學習和工作。目前，這種教育理念仍然作為一種基本的現代教育理念。

1.2 創(chuàng)新發(fā)展的理念

黨的十八屆五中全會提出“創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念，其中創(chuàng)新被置于首位。隨著互聯網技術的迅速發(fā)展，知識更新換代速度加快，對復合創(chuàng)新型人才的需求愈發(fā)強烈，人才培養(yǎng)要摒棄傳統(tǒng)的知識灌溉模式，應將教學重點轉移到重視研究方法學習、培養(yǎng)創(chuàng)新精神上。

1.3 OBE教育理念

OBE為“Outcomes-based Education”的縮寫，OBE教育理念即基于成果導向的教育理念。美國的Spady在《基于產出的教育模式：爭議與答案》一書中把OBE定義為“關注和組織教育體系，以確保學生在未來的生活中獲得實質性的成功經驗”。OBE教育理念強調了學習結果的重要性，教學者要規(guī)劃學生的學習水平，根據學生的具體情況和現代社會需求保證學習目標的順利達成。

上述這些教育理念歸根結底都要以學生為中心，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，要求培養(yǎng)出的學生適應社會的發(fā)展。而MATLAB語言的引入就是以學生為中心，為學生創(chuàng)新能力和實踐能力的發(fā)展提供了空間。

2 MATLAB軟件及其特點

MATLAB編程語言是20世紀80年代美國MathWorks公司推出的一種教學軟件，具有開放的環(huán)境、強大的數值計算能力和圖形繪制功能，數據可視化性強。工作區(qū)包括矩陣運算、圖形渲染、數據處理、各種工具箱以及類似“草稿紙”的多種模塊。MATLAB編程語言作為一種工程計算軟件已成為許多高校自動控制課程的教學工具。具有以下優(yōu)點。

2.1 強大廣泛的應用

MATLAB的基本單位是語言矩陣，可用于各種矩陣操作。MATLAB在自動控制、語言處理、圖像信號處理及建筑、航空航天、機械設計、流體力學、計算機技術中都有廣泛應用，工程人員可以借助該語言提供的工具箱解決復雜的工程問題，對系統(tǒng)實施動態(tài)仿真，并顯示計算結果。

2.2 編程效率高，語言簡潔高效

MATLAB是一種簡潔的高級語言，可以用數學語言編寫程序，用MATLAB編寫程序更接近于書寫計算公式的思維方式，好像在草稿紙上列出公式與求解問題，編寫簡單、編程效率高，初學者易于掌握。此外，MATLAB編程語言提供了豐富的庫函數，用戶編程時可以根據需要直接調用，也可以根據自身需要擴展新的庫函數，從而大大提高了編程速度和編程效率。

2.3 圖形功能強大便捷

MATLAB編程語言提供了圖形手柄上的低級繪圖操作和基于低級繪圖操作構建的高級繪圖操作兩個級別。使用圖形處理功能可對圖形元素執(zhí)行各種操作。

2.4 自動控制工具包功能齊備

MATLAB是控制行業(yè)常用的計算機語言，在控制領域幾乎所有研究都有相應工具箱。如控制系統(tǒng)工具箱、系統(tǒng)識別工具箱、魯棒控制工具箱和神經網絡工具箱等，這些工具箱構成了強大的自動控制工具。

3 教學現狀及改進方法

“自動控制原理”課程內容抽象分散、理論性強，有大量的公式和數學運算，要求學生前期需要掌握許多物理學和高級數學的相關知識，而這些內容對于絕大多數學生來說屬于薄弱環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的以教師為主的多媒體與板書相結合的滿堂灌式教學方式讓學生普遍覺得內容抽象、枯燥乏味、理解困難，學生很難對教學內容產生興趣，不能達到預期的教學效果和課程設置目標?；诖耍瑸榱烁淖儌鹘y(tǒng)的教學方式，教研組在課程中引入了MATLAB編程語言，進而激發(fā)和提高了學生的自主學習能力和學習興趣。

4 MATLAB在自動控制原理學習中的應用實例

根據課程理論知識，介紹的內容主要包括控制系統(tǒng)建模、控制系統(tǒng)分析及控制系統(tǒng)綜合標定和設計三大部分。建模部分主要是使用MATLAB編程語言在計算機上實現各種模型的輸入以及形式轉換和繪制不同的響應曲線，MATLAB軟件提供了有理分式傳遞函數模型、零極點增益模型、狀態(tài)方程模型等線性系統(tǒng)的多種數學模型函數，學生使用MATLAB語言可以進行根軌跡分析、頻率特性分析、控制系統(tǒng)穩(wěn)定性等分析。

“MATLAB及其應用技術”作為選修課與“自動控制原理”在同一學期開設，學生在學習完MATLAB后可以在自動控制原理中進行實踐應用，更好地掌握軟件知識，將抽象內容以學生易于了解、掌握的形式呈現出來。在課堂教學中，學完理論知識后，抽出一定時間介紹MATLAB相關內容，主要介紹關鍵語句、簡短模擬程序，以及如何利用特定語言輔助學習相關理論知識，要求學生利用課后時間練習一些句子和程序，進而完成數學模型、響應曲線、根軌跡圖、頻率特性曲線等的建立。通過兩門課程內容相互融合、驗證的形式，學生可以更深入系統(tǒng)地了解和掌握軟件應用方法，拓展知識面。

5 MATLAB應用于課程改革的成效

自動控制系統(tǒng)性能主要通過圖形進行分析，繪制系統(tǒng)響應曲線通常需要花費大量時間，引入MATLAB語言后，利用其強大的計算功能，學生可以快速輕松地繪制系統(tǒng)曲線，調整相關參數，觀察曲線的動態(tài)變化趨勢。此外，MATLAB在課程中的應用活躍了課堂氛圍，使學生對自動控制不再有恐懼感，對所學知識有了深刻了解，聽課效率和學習效果有了顯著提高。同時培養(yǎng)了學生實踐能力，便于學生在實踐操作中鞏固理論知識的學習。

6 結語

MATLAB的引入從根本上改變了自動控制原理的傳統(tǒng)教學模式，使其從純理論教學轉變?yōu)榕c實際工程控制案例緊密結合的生動教學，使許多抽象的知識形象具體化，充分調動了學生的學習興趣。但是，基于自動控制原理課程的自身特點，部分理論推導和計算過程依賴于傳統(tǒng)教學方式，便于學生掌握。因此，課程采取傳統(tǒng)教學和MATLAB應用教學相結合的模式，取長補短，以達到更好的教學效果。