基于MATLAB軟件和NI ELVIS平臺的自動控制原理課程教學研究與改革

張星紅　王汝鋒　趙志國

摘? 要：自動控制原理是多學科交叉的一門專業課，注重理論和實踐的密切結合。該文通過對自動控制原理的抽象化和強理論性等特點以及學生學習缺乏積極性和主動性等問題的分析，為提高教學質量，深化課程的教學改革，培養學生分析和解決實際問題的能力，將MATLAB語言、NI ELVIS硬件平臺和自動控制理論有機結合起來。理實平臺結合的教學手段，豐富了課堂的多元化和創新性。學生可以直觀地分析理論，編寫相應控制程序，提高了學生的編程能力、創新思維能力和辯證思維能力，調動了學生對學習的積極性和主動性，大幅度提高了課堂教學效果。

關鍵詞：自動控制原理? MATLAB軟件? ?NI ELVIS平臺? 教學改革

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）05（c）-0015-02

1? 教學過程存在的主要問題

1.1 推導理論性強、內容抽象化

課程涉及的數學基礎較為廣泛，從高等數學、復變函數、工程高等代數到離散數學等，這些數學推導內容理論性強、教學內容抽象化、公式推導復雜化，無法給學生一種直觀的感性認知和理解。

1.2 實驗與理論未同步，教學理念滯后

由于實驗課不能與理論課同步進行，理論先行實驗滯后的教學理念，使實驗環節與理論教學有一定的時間間隔，這樣學生將無法及時用實驗驗證理論的正確性。同時，自控原理的實驗環節幾乎都是針對理論教學知識的驗證，缺少相關課程之間的聯系，盡管學生做了實驗，但無法從系統的角度把握所學知識，更談不上融會貫通和學以致用。

1.3 教學手段單一

由于自動控制原理中理論推導較多、作圖方法較多，在課堂教學中，僅用PPT課件和黑板的教學手法具有單一性、枯燥性，無法給學生一種直觀的感性認知和理解。這種教學手段很容易造成學生注意力分散和理解困難，從而對這門課程產生抵觸情緒。

1.4 學時分配不足

自動控制原理內容豐富，理論復雜，目前的理論教學僅40學時，實驗8學時，在滿足教學進度需要的同時，使得許多知識點和課后習題均無法在課堂上進行詳細講解，進一步加大了教學的難度。

針對以上教學過程中存在的問題，為了提高學生的學習積極性，提高老師的教學質量，在教學過程中采用MATLAB軟件和理論有機結合起來，借助于NI ELVIS硬件平臺開展自動控制原理課程實驗，以達到所設想的教學效果。

2? 基于MATLAB軟件的自動控制原理的理論課程研究與改革

在教學過程中，我們將MATLAB語言和自動控制理論有機結合起來，既降低了理論的抽象性，增強了直觀性，又讓學生在課堂教學中學會使用用途極廣的編程語言。在時域分析章節中，系統的輸入輸出信號都是隨時間變化而變化的，采用MATLAB語言可以幫助學生調用各種顯示動畫指令，直觀地分析各種信息隨時間變化而變化的過程，克服了教學內容的抽象化。例如，在已知傳遞函數求系統時域響應的過程中，首先，給學生分析理論思路;其次，依據響應概念，用數學思維進行推導;最后，調用MATLAB的一些控制系統模型，讓學生在Simulink環境中進行仿真，深入了解一個系統是如何組成、各個環節的傳遞函數以什么方式進行關聯的系統又是如何運作等問題。這樣既深化了系統模型方面的概念，又輕松地學會了如何使用MATLAB語言中的仿真工具Simulink。

3? 基于NI ELVIS平臺的自動控制原理的實驗課程研究與改革

選擇了NI ELVIS硬件平臺和LabVIEW軟件環境開展自動控制原理課程實驗的改革。這主要是因為NI ELVIS結合了多種現成的儀器功能，但同時也支持利用LabVIEWW軟件開發特別的實驗功能，而且NI ELVIS和LabVIEW軟件為學生提供了一個可擴展發揮的實驗環境，可以改變以往按部就班、單純驗證的實驗方式。下面舉例說明。

以典型的二階系統穩定性分析為例，對課程實驗的改革進行詮釋。

（1）實驗接線。

實驗指導書上，給定二階系統模擬電路圖，對電路圖進行分析，這樣在學習該課程的同時，也能夠讓學生體會到本科和其他課程的相關性。

（2）實物連線。

結合電路模擬圖，在控制電路板對實物進行連線，在動手的過程中，更好地培養學生的操作能力和邏輯思維能力。

（3）軟件設置。

設置采樣率類型為單次采樣，如圖1中A;采樣率設置為1K，如圖1中B;采樣長度為4K，如圖1中C;設置信號幅值為1，如圖1中D;設置信號輸出，將“信號輸出”按鈕點亮，如圖1中E。

（4）分析其穩定性。

學生雖然不需要自己搭建電路編寫程序，但是按照順序做完一些列實驗，可根據波形分析系統的性能，直觀地體會“穩”“快”“準”的系統性能。比如，從圖1可以看出系統的上升時間不到0.5，峰值時間約0.5，系統最終是穩定的，且收斂于1。學生學好基本的實驗之后，還可以自由發揮，在操作的過程中，可改變其數據，可得到不同的圖像，從不同的曲線分析均系統的性能，可經過對圖像分析更好地詮釋理論知識。

4? 結語

將MATLAB語言和NI ELVIS硬件平臺應用于自控原理課程教學改革中，可以使MATLAB語言、NI ELVIS硬件平臺和自動控制原理課程的內容有效地結合。既能降減弱自動控制原理的抽象性，又可以增強理論的直觀性，讓學生在有限的課堂時間中輕松地學會自動控制原理的理論知識，同時也學會了MATLAB編程工具和了解了NI ELVIS硬件平臺。從而有效地提高學生的學習效率，激發學生學習該課程的興趣。

參考文獻

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