軟件工具在高職自動控制課程教學中的應用探析

【摘要】自動控制課程在高等職業教育人才培養課程體系中具有不可替代的重要作用。目前自動控制課程所采用的教學手段存在著很多亟待解決的現實問題，不能夠完成適應應用型高技能專門人才的培養需求。因此，針對自動控制課程在高等職業教育人才培養課程體系中教學方法和手段作了初步的探討，以及Matlab軟件工具在教學過程中的意義做了詳細的分析，分析了自動控制課程的特點以及高職學生的認知規律，對課程中采用的組態軟件以及Matlab進行了應用分析探索，結論表明軟件工具的應用對于提升高職自動控制課程的教學效果具有重要的意義。

【關鍵詞】自動控制；高職；課程；軟件工具；應用

1.引言

隨著高等職業教育教學改革的不斷深入，以任務驅動的教學模式有效地提升了教學的效果，在教學改革中淡化了理論的推導以及論證，突出了對于學生專業能力的培養，取得了較高的效果。但是基于自動控制課程的特點以及高職學生的認知規律，控制系統的實際對象如果不能夠直接呈現在學生面前，學生不能夠獲得直接的認知，因此也就無法形成對于控制系統的直觀概念。目前由于各方面因素的制約，高職自動化教學設備數量較少，不能夠完全滿足教學的實踐要求。同時由于自動控制技術發展迅速，控制設備快速更新，完全依靠設計設備的購置進行實踐教學也存在許多現實問題。因此充分借助于軟件技術，呈現軟件化的控制系統給學生提供實際的教學對象，對于項目引導的教學效果的提升具有十分重要的意義。

2.軟件技術在自動控制教學中應用概述

軟件技術在教學中一般都應用于理論性較強，知識較為抽象的專業課程。例如在電路基礎、模擬電子技術、數字電子技術中采用“Muhisim”、“Protues”等仿真軟件對電路的性能、參數以及工作特性進行直觀的分析，學生可以通過軟件技術認識電路的結構、可以通過虛擬的儀表（操作與實際器件、儀表相同）對電路進行測試，對于學生進行理論知識的直觀理解具有較大的幫助，軟件技術在教學過程中的引入對于有效克服高職類學生抽象思維能力較差的缺陷，改善課程的教學、激發學生的學習主動性與積極性具有重要的幫助。

自動控制課程采用的軟件要能夠符合課程本身的特點，能夠將自動控制系統的基本結構原理等呈現在學生面前，同時軟件的使用難度不能過高，要具有良好的用戶界面，軟件的操作難度符合高職類學生的知識能力。

在高職自動化專業教學中，自動控制課程主要如《自動控制原理》類的控制理論課程，課程主要是分析控制系統的基本概念、控制系統的數學模型以及時域、變換域的分析方法、系統穩定性以及校正等方面的知識。其課程的特點是計算難度較大，對于學生的高等數學、工程數學具有很高的要求。在高職教學過程中，此類課程主要是能夠使得學生理解控制系統的基本概念，能夠根據系統的要求建立正確的傳遞函數，理解控制系統的穩定性的控制方案，具體微分方程的求解、數值分析等方面的計算等知識則不是重點要求。因此借助于MATLAB軟件能夠有效減小控制系統求解中的相關計算，使得學生能夠對控制理論、控制系統具有全面的掌握，而不拘泥于大量的數學運算。MATLAB具有良好的工作界面，具有用專業的控制系統分析和設計的工具箱，整體操作較為簡單，其內部具有的豐富庫函數的直接調用對于學生將抽象枯燥的理論課堂變得生動有趣，提升學習興趣具有重要的幫助。

與控制類理論課程不同，《過程控制系統》、《電氣控制與PLC控制技術》等專業課程則更側重工程型，強調高職學生的專業能力的養成。因此在教學過程中需要采用合適的項目作為教學的載體，需要引入現場控制工程的案例。因此選用組態軟件就可以實現將現場的設備“搬進”實驗室來，可以實現通過參數進行控制系統的調整，能夠反應相應的動作、曲線以及實時數據，這樣學生就能夠對實際控制系統具有直觀的掌握。組態軟件集成了圖形技術、人機界面技術、數據庫技術、控制技術、網絡與通信技術，在進行控制工程系統設計的時候不需要進行程序的編寫，而是通過模塊化的組態方式實現控制程序的設計，軟件的特點也符合高職學生的特征。

3.MATLAB軟件在教學過程中應用舉例

Matlab軟件在自動控制類理論課程中的應用不僅僅是求解數學模型，較小計算量，應用軟件可以幫助學生理解物理對象、數學模型之間的聯系，理解理論推導與實際參數修改之間的關系，建立系統分析的基本思路。如控制系統的根軌跡是開環系統某一參數從零變化到無窮大時，閉環系統特征根在s平面上變化的軌跡，根軌跡能夠反應控制系統穩定性能，但是在實際控制系統中描述根軌跡難度較大，學生也不能對根軌跡進行全面的理解。因此在軟件技術的幫助下，教師首先闡述根軌跡的含義與本質屬性，分析根軌跡與系統穩定性之間的關系，再應用Matlab軟件對系統的根軌跡進行繪制，學生就能夠正確掌握根軌跡的內容，形成控制系統分析的基本思路。設某開環控制系統的傳遞函數為：

（1）

是求取系統根軌跡的Matlab程序為：

%MATLABPROGRAM1-1num=[010.8760]；den=[1-1.25430.2543]；den=[1-1.25430.2543]；rlocus（num，den）；grid；v=[-42-33]axis（v）；end。繪制完成的根軌跡如圖1所示：

圖1 某離散控制系統的跟軌跡圖

4.組態軟件在教學過程中應用舉例

組態軟件應用強大的組態模塊可以實現工業現場控制的實物呈現。在教學過程中首先根據教學的內容選擇合理的控制系統，對控制系統的實際需要、需要完成的任務、控制流程以及控制系統中的性能要求進行分析，在此基礎上應用組態軟件進行工程項目的建立與模擬。基于組態軟件實現控制項目的建設和運行，能夠模擬工程情境，靈活調試工作情境，也能展示控制效果，這種教學手段不僅形象化了教學內容，對學生而言。對知識的掌握和理解、職業技能的提升也有幫助。以水位自動控制系統為例，就要在進行整體規劃系統由五大窗口組成。總共建立了二個用戶窗口，四個主菜單，分別作為水位控制、報警顯示、曲線顯示、數據顯示，構成了樣例工程的基本骨架。選用“模擬設備”及策略構件箱中的“腳本程序”功能構件，設置構件的屬性，編制控制程序，實現水位、水泵、調節閥和出水閥的有效控制。通過組態軟件提供的各類構件實現下述功能：歷史曲線：選用歷史曲線構件實現；歷史數據：選用歷史表格構件實現；報警顯示：選用報警顯示構件實現；工程報表：歷史數據選用存盤數據瀏覽策略構件實現，報警歷史數據選用報警信息瀏覽策略構件實現，實時報表選用自由表格構件實現，歷史報表選用歷史表格構件實現。最終完成的水位控制界面以及工作效果監測如圖2所示。

圖2 水位控制系統的組態軟件實現

5.總結

高職類自動化專業人才培養過程中，自動控制類課程具有難度較大、學習內容較為抽象等方面的特點，同時高職學校的學生對于理論知識（尤其是較為抽象的理論知識）的學習具有一定的難度。因此直觀化的教學對象對于學生的學習具有重要的意義。自動控制類教學設備價格昂貴，更新速度較快，全部應用實體化的教學設備進行教學目前尚具有一定的難度，因此采用將計算機軟件技術有效地融入到教學過程中去，對提升學生的學習興趣、優化教學方案具有重要的作用。Matlab軟件強大的計算分析能力、系統分析能力對于學生進行控制系統理論、思維方式的形成具有重要的意義；而組態軟件應用已有的組態實現工程化場景的重現，對于學生對實際工程系統建立步驟，分析等具有重要的意義。實踐教學證明，這兩種軟件對于高職類學生進行自動控制課程的學習具有重要的幫助，學生職業能力有所提高。

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作者簡介：邵宏文（1963—），男，上海人，南京高等職業技術學校電氣工程系講師，研究方向：電工電子類的教學。