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摘要: 目前国内高职高专教育的特点是专业知识够用，而强化工程应用。本文结合高职高专教育培养要求和学生特点，认为《自动控制原理与应用》的教学改革势在必行。在改革中，将MATLAB软件应用于课程教学中，设计了计算机辅助教学(CAI)课件，并介绍了课件的组成。该CAI课件结合虚拟实验软件的实例，说明了课件具有的课堂演示、实验仿真和系统分析计算等特点。最后，本文结合课件在教学中的实际应用总结了使用计算机课件教学与传统课堂教学方式相比的特点。
关键词: 自动控制原理;CAI;MATLAB;课件
Abstract：Recently, the characteristic of higher vocational education emphasizes the engineering applications, not professional knowledge. According to the training requirements of higher vocational education and students characteristic, this paper think that teaching reform of automatic control theory and application must implement. In this paper, the MATLAB is used in teaching, and the CAI courseware is designed, and the composition of coursewave is introduced. The CAI coursewave combines the examples of virtual test softwave, and expounds the infunction of classroom presentations, laboratory simulation and system analysis computing of the coursewave. At last, according to practice of coursewave in teaching, the advantages of this coursewave are given comparing to the traditional classroom teaching.
Keywords: Automatic control theory;CAI;MATLAB;Coursewave
引言
在高职高专的电气自动化专业、机电一体化专业教育中，“自动控制原理与应用”是其主要的专业基础课之一。该课程涉及到系统的模型建立、分析、设计的基本理论和相关技术。在教学中的特点是计算性强、作图多等。在课堂授课中, 教师需在黑板上推导大量的公式、画大量的曲线,而曲线的准确度难以保证, 进而系统响应的暂态过程也难以体现出来, 影响学生的理解与接受。此外, 这门课的实践性也很强, 但在实验中经常会受到元件参数不稳定的影响和设备条件的限制, 使实验值与理论值不相吻合, 导致学生产生错误的理解。因此要求该课程无论在教学内容上, 还是教学方式上都要改革。
MATLAB是Mathworks公司于1982 年推出的高性能的集数值计算、矩阵运算、信号处理和图形处理等强大功能于一体的可视化软件。适用于工程应用各领域的分析、设计和复杂计算, 而且易学易用,尤其在自动控制领域应用广泛。它的大量工具箱函数为各个领域的研究和工程应用提供了有力的手段。其中的Control Tool box工具箱是针对自动控制系统分析的。另外,SIMULINK模块可实现可视化建模,用户通过简单的鼠标操作就可建立起直观的系统模型并进行仿真, 可将理论研究和工程实现结合在一起,为我们的课堂教学和实验仿真提供了新的有效手段。本文着重对MATLAB在自动控制原理与应用课程教学中的应用进行探讨, 给出了应用实例。
1课件的组成及功能
1.1采用多媒体教学手段
CAI即Computer Assisted(aided) Instruction的缩写，即计算机辅助教学。这是一种利用计算机作为教学手段的教学系统。计算机辅助教学首先改变了几百年来的一支粉笔、一块黑板的传统教学手段。它以生动的画面、形象的演示，给人以耳目一新的感觉。
课件的各级界面均应用MATLAB的图形用户界面GUI开发,主界面如图1所示。其中,“第一章”至“第六章”为课堂教学演示内容,“试验一”为实验仿真内容,“试验二”为控制系统分析计算功能。选中菜单中的一项, 即可展开下一级菜单, 逐级展开, 直到出现所需的具体内容。
1.2 充分利用MATLAB中系统建模、分析及设计的有关函数
由于MATLAB提供了线性时不变系统的系统模型、系统分析、系统设计等函数,因此在开发CAI课件的时候将其应用加入其中。MATLAB所提供的有关系统模型的函数有:(1)建立传递函数模型的函数tf()；(2)建立零极点增益模型的函数zpk()；(3)建立状态空间模型的函数ss()。在进行系统稳定性分析时,即可采用Routh判据等间接方法,也可利使用MATLAB建立其零极点模型如图2：
1.3 充分利用MATLAB的计算与作图函数
在自动控制原理课程的教学中，课堂上需要花费很多时间讲解复杂的计算与作图。MATLAB 提供了丰富的计算和作图函数。如时域分析中的单位阶跃响应、单位脉冲响应以及求解响应的性能指标(峰值时间、超调量、调节时间及上升时间)。MATLAB提供求取系统阶跃响应函数step( )、dstep( )；求取系统脉冲响应函数impluse()、dimpluse()。可以编写相应的程序求取系统的性能指标。频域分析中的Bode图、Nyquist曲线图。MATLAB提供了求取系统Bode图函数:bode()、dbode()；求取系统Nyquist曲线图函数:nyquist()、dnyquist()；求取系统的频域性能指标函数margin()。对于控制系统分析中的根轨迹法,MATLAB提供了绘制根轨迹的函数,其中绘制系统零极点图的函数pzmap()、求系统根轨迹的函数rlocus(),计算系统根轨迹增益函数rlocfind()等等。使用MATLAB绘制一系统的2在自动控制原理与应用课程中使用CAI课件教学的优点
2.1 降低教师工作强度，节省板书时间，讲课精力集中
除个别需重点解释的地方,板书的内容都可直接投影到屏幕上,教师可集中精力讲课,思路连贯。同时,对于显示的文字内容,可根据需要放大或缩小,并可改变不同的颜色,达到突出重点加深印象的效果。
2.2教学手段丰富，课堂教学生动，学生易接受
多媒体教室提供了计算机、投影仪、话筒等多种设备,教师可采用丰富的教学素材。除用计算机仿真控制系统外, 还可用投影仪展示图片,使得许多内容可视性增强,将干巴巴的文字和语言变成了生动的可视化影像，从而改变了原来单调的授课方式,引发了学生的学习兴趣，提高了授课质量。
2.3课堂教学的综合效益提高，使学生受益
用CAI课件授课,可将本课程的学习与计算机技术应用有机地结合,有利于学生熟悉MATLAB软件的使用。由于课件基于MATLAB 软件, 在讲授“自动控制原理与应用”的同时, 也把MATLAB软件的使用教给了学生,使学生在不知不觉间熟悉了这一当前流行的科学计算软件。
2.4推进了高职高专教学方法、教学内容的改革
面对目前高职高专教育的困境，改革教学方法，革新教学内容势在必行。而且高职高专教育的教学重点应放在工程应用的实际方法上, 那些纯数学计算的内容,繁琐的公式推导和复杂的绘图可借助计算机方便快捷地解决,授课时只需将相应的工程应用方法介绍给学生。这对于加强学生分析问题和解决问题能力的培养是十分有益的。
3结论
基于MATLAB软件的“自动控制原理与应用”CAI课件的形成, 标志着一直困扰一线教学工作者的课堂演示、实验仿真和系统分析计算三大功能的难题已经实现。在多媒体教室中使用的结果表明, CAI课件的应用对教学手段,教学内容,教学效果产生了积极的影像,对于教学水平的提高和教学效果的改善十分有益。今后, 我们将围绕国家高职高专教育的新要求，对课件的学习功能进行进一步的开发,使之成为“自动控制原理与应用”课程教师授课和学生学习的得力工具。
参考文献：
[1]黄坚.自动控制原理及其应用[M].北京:高等教育出版社,2005.6
[2]夏玮,李朝晖,常春藤等.MATLAB控制系统仿真与实例详解[M].北京:人民邮电出版社,2008
关键词: 自动控制原理;CAI;MATLAB;课件
Abstract：Recently, the characteristic of higher vocational education emphasizes the engineering applications, not professional knowledge. According to the training requirements of higher vocational education and students characteristic, this paper think that teaching reform of automatic control theory and application must implement. In this paper, the MATLAB is used in teaching, and the CAI courseware is designed, and the composition of coursewave is introduced. The CAI coursewave combines the examples of virtual test softwave, and expounds the infunction of classroom presentations, laboratory simulation and system analysis computing of the coursewave. At last, according to practice of coursewave in teaching, the advantages of this coursewave are given comparing to the traditional classroom teaching.
Keywords: Automatic control theory;CAI;MATLAB;Coursewave
引言
在高职高专的电气自动化专业、机电一体化专业教育中，“自动控制原理与应用”是其主要的专业基础课之一。该课程涉及到系统的模型建立、分析、设计的基本理论和相关技术。在教学中的特点是计算性强、作图多等。在课堂授课中, 教师需在黑板上推导大量的公式、画大量的曲线,而曲线的准确度难以保证, 进而系统响应的暂态过程也难以体现出来, 影响学生的理解与接受。此外, 这门课的实践性也很强, 但在实验中经常会受到元件参数不稳定的影响和设备条件的限制, 使实验值与理论值不相吻合, 导致学生产生错误的理解。因此要求该课程无论在教学内容上, 还是教学方式上都要改革。
MATLAB是Mathworks公司于1982 年推出的高性能的集数值计算、矩阵运算、信号处理和图形处理等强大功能于一体的可视化软件。适用于工程应用各领域的分析、设计和复杂计算, 而且易学易用,尤其在自动控制领域应用广泛。它的大量工具箱函数为各个领域的研究和工程应用提供了有力的手段。其中的Control Tool box工具箱是针对自动控制系统分析的。另外,SIMULINK模块可实现可视化建模,用户通过简单的鼠标操作就可建立起直观的系统模型并进行仿真, 可将理论研究和工程实现结合在一起,为我们的课堂教学和实验仿真提供了新的有效手段。本文着重对MATLAB在自动控制原理与应用课程教学中的应用进行探讨, 给出了应用实例。
1课件的组成及功能
1.1采用多媒体教学手段
CAI即Computer Assisted(aided) Instruction的缩写，即计算机辅助教学。这是一种利用计算机作为教学手段的教学系统。计算机辅助教学首先改变了几百年来的一支粉笔、一块黑板的传统教学手段。它以生动的画面、形象的演示，给人以耳目一新的感觉。
课件的各级界面均应用MATLAB的图形用户界面GUI开发,主界面如图1所示。其中,“第一章”至“第六章”为课堂教学演示内容,“试验一”为实验仿真内容,“试验二”为控制系统分析计算功能。选中菜单中的一项, 即可展开下一级菜单, 逐级展开, 直到出现所需的具体内容。
1.2 充分利用MATLAB中系统建模、分析及设计的有关函数
由于MATLAB提供了线性时不变系统的系统模型、系统分析、系统设计等函数,因此在开发CAI课件的时候将其应用加入其中。MATLAB所提供的有关系统模型的函数有:(1)建立传递函数模型的函数tf()；(2)建立零极点增益模型的函数zpk()；(3)建立状态空间模型的函数ss()。在进行系统稳定性分析时,即可采用Routh判据等间接方法,也可利使用MATLAB建立其零极点模型如图2：
1.3 充分利用MATLAB的计算与作图函数
在自动控制原理课程的教学中，课堂上需要花费很多时间讲解复杂的计算与作图。MATLAB 提供了丰富的计算和作图函数。如时域分析中的单位阶跃响应、单位脉冲响应以及求解响应的性能指标(峰值时间、超调量、调节时间及上升时间)。MATLAB提供求取系统阶跃响应函数step( )、dstep( )；求取系统脉冲响应函数impluse()、dimpluse()。可以编写相应的程序求取系统的性能指标。频域分析中的Bode图、Nyquist曲线图。MATLAB提供了求取系统Bode图函数:bode()、dbode()；求取系统Nyquist曲线图函数:nyquist()、dnyquist()；求取系统的频域性能指标函数margin()。对于控制系统分析中的根轨迹法,MATLAB提供了绘制根轨迹的函数,其中绘制系统零极点图的函数pzmap()、求系统根轨迹的函数rlocus(),计算系统根轨迹增益函数rlocfind()等等。使用MATLAB绘制一系统的2在自动控制原理与应用课程中使用CAI课件教学的优点
2.1 降低教师工作强度，节省板书时间，讲课精力集中
除个别需重点解释的地方,板书的内容都可直接投影到屏幕上,教师可集中精力讲课,思路连贯。同时,对于显示的文字内容,可根据需要放大或缩小,并可改变不同的颜色,达到突出重点加深印象的效果。
2.2教学手段丰富，课堂教学生动，学生易接受
多媒体教室提供了计算机、投影仪、话筒等多种设备,教师可采用丰富的教学素材。除用计算机仿真控制系统外, 还可用投影仪展示图片,使得许多内容可视性增强,将干巴巴的文字和语言变成了生动的可视化影像，从而改变了原来单调的授课方式,引发了学生的学习兴趣，提高了授课质量。
2.3课堂教学的综合效益提高，使学生受益
用CAI课件授课,可将本课程的学习与计算机技术应用有机地结合,有利于学生熟悉MATLAB软件的使用。由于课件基于MATLAB 软件, 在讲授“自动控制原理与应用”的同时, 也把MATLAB软件的使用教给了学生,使学生在不知不觉间熟悉了这一当前流行的科学计算软件。
2.4推进了高职高专教学方法、教学内容的改革
面对目前高职高专教育的困境，改革教学方法，革新教学内容势在必行。而且高职高专教育的教学重点应放在工程应用的实际方法上, 那些纯数学计算的内容,繁琐的公式推导和复杂的绘图可借助计算机方便快捷地解决,授课时只需将相应的工程应用方法介绍给学生。这对于加强学生分析问题和解决问题能力的培养是十分有益的。
3结论
基于MATLAB软件的“自动控制原理与应用”CAI课件的形成, 标志着一直困扰一线教学工作者的课堂演示、实验仿真和系统分析计算三大功能的难题已经实现。在多媒体教室中使用的结果表明, CAI课件的应用对教学手段,教学内容,教学效果产生了积极的影像,对于教学水平的提高和教学效果的改善十分有益。今后, 我们将围绕国家高职高专教育的新要求，对课件的学习功能进行进一步的开发,使之成为“自动控制原理与应用”课程教师授课和学生学习的得力工具。
参考文献：
[1]黄坚.自动控制原理及其应用[M].北京:高等教育出版社,2005.6
[2]夏玮,李朝晖,常春藤等.MATLAB控制系统仿真与实例详解[M].北京:人民邮电出版社,2008