MATLAB在控制系統教學中的應用探討

闞秀　李媛媛　羅曉　奚崢皓

摘 要 本文根據MATLAB在控制系統建模仿真方面的優勢，從教學內容安排、教學方法實施、教學平臺構建等三個方面分析了MATLAB在連接控制系統教學中的必要性和可行性。

關鍵詞 控制系統 MATLAB 計算機輔助設計 仿真

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.08.048

Discussion on the Application of MATLAB in Control System Teaching

KAN Xiu， LI Yuanyuan， LUO Xiao， XI Zhenghao

（College of Electrical and Electronic Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620）

Abstract In this paper， according to the advantage of MATLAB in control system molding and simulation， the necessity and feasibility has been analyzed form three aspects including teaching content， teaching method and teaching platform.

Keywords control system； MATLAB； computer-aided design； simulation

0 引言

隨著現代文明的不斷進步，起源于20世紀初的自動化科學作為一門在軍事、航空、航天、直至社會生活中均有重要應用價值的學科也在快速發展，自動化是基于物理學、數學、系統科學、社會學等領域發展起來的一門交叉學科。對于自動化專業的學生而言，他們所學習的自動控制原理等專業課程更關注的是控制系統數理特性的理論表達，使得他們所理解的控制系統局限在概念化、數學化和抽象化，那么如何將所學理論知識進行數值仿真校驗，使得理論結果與實際接軌表現的更為具象化、數值化、圖表化也就成為自動化領域的首要問題。為了解決控制系統研究及應用過程中繁瑣計算、曲線繪制、控制與設計等問題，大量的控制系統仿真與設計軟件應運而生，這些軟件也在很大程度上提高了科研與技術人員的工作效率。

MATLAB是Math Works公司于年推出的一種科學計算軟件，它是一種以矩陣為基本編程單元的程序設計語言，具有強大的數值計算功能、圖形表達功能及可視化的仿真環境。近十幾年來，MATLAB憑借其強大的計算功能、圖形功能及simulink模塊仿真等功能，已然成為控制系統仿真與設計領域中的佼佼者。自動化作為強調應用實踐的工科專業，如果在教學過程中能夠將傳統實驗和計算機仿真結合，將驗證性實驗和設計性實驗相結合，采用靈活多樣的形式和豐富多樣的內容，激發學生興趣的同時亦達到較好的教學效果。因此，將MATLAB技術引入到控制系統的學習中來，將二者有機結合起來將更有助于自動化專業課程的教學。[1-3]

1 教學內容的安排與設計

傳統教育觀念下的控制系統教學，教學內容呈現方式缺乏直觀性，以理論課教學為主輔以少量驗證性試驗，枯燥無味，學生來很難真正理解掌握，而這樣的知識強制性灌輸形式也很難提起學生的學習興趣。因此，后續教學中應注意根據自動化學科的發展趨勢，了解自動化學科在其他專業領域內的交叉融合情況，參考社會對專業人才的技術要求，以學生的認知的規律和程度為基礎，對MATLAB技術在控制系統中的應用教學內容進行全面的優化。通過全MATLAB軟件仿真設計實際控制系統，一方面可以幫助學生驗證理論的結論是否正確；另一方面幫助學生把更多注意力放在知識的掌握和應用上。

在教學內容的安排與設計方面，著眼于控制理論的建模與仿真實現，加強基礎的同時進行擴展應用，從縱向和橫向兩個方面組織教學內容。首先，從縱向方面深入的學習課程基礎知識，理清MATLAB語言程序設計的基本思想、方法和概念，透徹講解控制系統相關工具箱的原理與使用過程。其次，從橫向方面實現控制理論的具體應用，基于實際工程系統工作機理，由淺入深地介紹MATLAB在系統建模、模型運算、控制器設計等方面的分析與應用過程，實現經典控制系統設計與現代控制系統設計的過渡與銜接。在授課過程中，注意采用合適的工程應用實例作為實驗部分配合教學內容的講授，讓學生對所學知識進行更深入的理解和消化，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。

自動化專業的學習不僅要求學生掌握控制系統的基本理論與方法，更要使之成為自動控制理論、計算機控制、課程設計和畢業設計等后續課程的學習和實踐中驗證或判斷理論結論正確性、有效性的數值檢驗工具。也就是說，針對控制系統的MATLAB技術的教學需要注重理論與實踐關聯性等內容的教學環節，培養學生形成獨立的、創造性的思維能力和工作能力。因此，在課時分配方面，應該盡量壓縮理論部分的課堂教學課時，預留足夠的課時使學生在熟悉MATLAB技術的過程中充分掌握控制系統建模與仿真方法，或者在實驗的過程中穿插講解理論知識，使學生能更加生動地理解所學知識。[4-6]

2 教學方法的實施與優化

2.1 關注學科發展，教學內容柔性安排

隨著各個學科交叉融合的不斷深入，在對課程整體優化的前提下，充分考慮自動化學科的發展，以事實為載體打開學生視野。將學習MATLAB的基本思想、方法和概念作為課程的起點，通過MATLAB重新介紹控制系統的相關知識，建立以控制理論為主線，MATLAB為輔的控制系統分析與設計的課程體系。[7，8]以典型實例和先進方法等專題分析的方式深化學生對自動化學科的認知與前沿知識的吸收，以課上課下討論和隨堂報告的學習形式拓展學生對相關材料的理解。根據實際教學情況與學生的反饋，不斷梳理教學內容并及時調整教學方式以便于學生易于接受。

2.2 實際問題為引導，完成控制系統建模仿真

以調動學生學習的積極性與主動性為出發點，根據課程內容引出實際問題，引導學生進行課題思考與仿真求證，形成教師主控學生主管的實驗學習模式。讓學生帶著問題走進實驗室，實驗室內完成交流討論與建模仿真，而后體會控制系統理論知識的意義，再帶著對工程實踐的理解走出實驗室。實驗過程中，教師可以更好地了解教學效果，以便及時調整教學內容與教學方法。同時，這種“教、學、思、做、結”相結合的教學方法，不僅為學生提供了自我成長的空間，更能培養學生創新思維、自主分析解決問題的能力。教學過程中注重學生的獨立思考、互動討論和動手實踐等能力的培養，引導學生養成主動學習、深入分析、實際中發現問題和解決問題的好習慣。

2.3 豐富教學手段，建立多維立體式教學平臺

選用英文原版教材，從內容架構體系出發，以圖文并茂的形式制作教學課件，形象具體的展現專業知識，同時力求從學生的角度更生動的完成知識接收。并針對《現代電力電子學》中的基本原理和技術參數，采用板書推導演算的方式讓學生充分了解其中蘊含的數學及物理等屬性。利用板書與多媒體結合互動的方式，充分調動學生的學習積極性，克服傳統教學模式存在的許多缺陷，如節奏慢，所能表現內容的深度、廣度及手法極為有限等問題。尋找獲得最佳授課效果的方法，建立起集情景化、趣味性與可視化為一體的數字化慕課、微課學習資源包，便于學生在互聯網環境下任意時間任意地點進行有針對性的學習。

2.4 對接未來發展，建立多維立體式教學平臺

MATLAB在控制系統教學中的應用原則，即是加深學生對控制理論的理解、啟發學生的創新思維、激發學生的學習熱情、對接學科未來發展，那么從教與學的多維角度搭建合理的教學平臺能夠促進教學的良性循環。根據教學需要與學科發展自主編寫適合學生學習的教材，公開教學視頻、教材與教學過程中例題的程序代碼，方便學生自主學習，簡化典型問題的求解難度。建立PPT、Flash、MATLAB、LaTeX、C++等有機結合的多媒體教學課件，立體化地呈現教學內容，加強學生的直觀理解。開啟中英為授課學習方式，實現國內外知識學習的無縫連接，推動學生打開國際視野。

3 小結

隨著科學技術的快速發展，各類計算機仿真設計軟件的應用越來越廣泛，而MATLAB是作為今最優秀的科技應用軟件之一，在自動化控制系統輔助教學中起著舉足輕重的作用， MATLAB軟件的引入不僅能解決傳統教學中存在的枯燥不形象等弊端，彌補實際驗證性實驗器材不足的缺點，有效提高教學效率和質量，增加學生學習興趣拓寬學生視野。本文對MATLAB在控制系統教學中的應用進行了探討，分別從教學內容安排、教學方法實施、教學平臺構建等三個方面分析了MATLAB在連接控制系統與實踐仿真之間的重要作用，致力于通過MATLAB在控制系統中的應用教學，培養學生的理論與實踐的融匯學習能力、創新思維能力和工作實踐能力。在教學過程中注意合理架構教學內容、創建先進教學環境、整合現代教學手段，打造理論與實際相結合、實踐與技術相銜接的專業特色課程，為培養高素質高技能的專業人才打下堅實的基礎。

本文由上海工程技術大學課程建設項目基金資助（k201602002， k201702001）

參考文獻

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