基于Matlab的現代控制理論教學改革研究＊

韓娜妮,鄭耐琴,徐秀妮

（隴東學院電氣工程學院，甘肅 慶陽 745000）

現代控制理論是自動化專業的核心課程，按照工程教育專業認證及新版人才培養方案的要求，通過該課程的學習，學生應該掌握基礎的控制理論，并且具有分析、設計實際復雜控制系統的能力[1]。因此，在該課程的教學過程中，不僅要傳授理論知識，更要注重培養學生分析問題、解決問題的能力和創新意識。

Matlab是由美國The mathworks 公司于1984年推出的一種科學與工程計算語言，其廣泛應用于自動控制、數學運算、信號分析、航天工業及語音處理等行業[2]。Matlab程序語言簡單易用，代碼短小高效，并且擁有出色的圖形處理能力及強大的系統仿真功能。目前，Matlab已成為一種具有廣泛應用前景的計算機高級編程語言，而自動控制則是其最重要的應用領域之一。

利用Matlab進行現代控制理論教學，特別是Simulink圖形交互式仿真環境，不僅可以解決硬件實驗設備不足的困難，而且還能激發學生的學習興趣和熱情，并且可供學生在課后進行自主性和探索性的學習，以提高學生分析和設計實際復雜控制系統的能力。

1 傳統教學存在的問題

由于現代控制理論具有理論性強和內容抽象的特點，在傳統的理論教學中，講課重點通常落實在理論知識、概念和公式推導上，學生難以長時間注意力集中，課堂學習枯燥乏味，同時也忽視了對學生工程實踐能力的引導與培養，從而很難將現代控制理論應用于實際工程系統的設計中，難以提高復雜工程問題的分析和解決能力。并且現有教材復雜工程示例較少，難以體現現代控制理論在分析和設計復雜工程控制問題的優越性[3]。

在傳統現代控制理論實驗教學中，由于實驗設備的限制，大部分的實驗都是對理論的簡單驗證，缺乏復雜控制系統的分析和設計實例。

在現代控制理論教學過程中引入Matlab軟件具有多個優點[4]。首先，軟件仿真可以變抽象為具體，直觀性、趣味性強，可以使得枯燥無味的被動接受變成形象直觀、有趣的實踐，學生對理論知識的理解更加到位；其次，通過軟件仿真學習，學生學習理論知識和實驗學習可以不受時間和空間的限制；最后，在實驗設備有限的情況下，通過軟件進行理論驗證、系統分析和設計，最大限度的培養學生解決復雜控制系統的能力。

2 Matlab在現代控制理論教學中的應用

2.1 基于Matlab的教學思路

按照工程教育專業認證標準的基本要求，現代控制理論課程借鑒任務驅動教學法和項目教學法，提出基于“項目引導、任務驅動”的現代控制理論教學模式，實現“教、學、做”一體化教學設計[5]。整體教學思路包括“項目導入”、“信息收集”、“制定計劃”、“實施計劃”、及“展示和評價”，具體如圖1所示，其中，Matlab軟件仿真貫穿始終，融入每一個階段中。

圖1 課程整體教學思路

首先，在“項目導入”階段，由教師擬出數個和實際工程問題相關的項目，與學生討論，確定在Matlab中可實現的項目目標和任務；接著針對每一個知識點，利用任務驅動法，引導學生積極主動學習相關的理論知識，進行信息收集，包括在Matlab中對理論知識進行驗證[6]；然后學生通過自主學習、小組協作學習等方式，對該項目的任務目標進行分析，充分應用已掌握的前序理論知識和Matlab知識，確定任務的實施步驟，為任務的實施做好充分的準備；在“實施計劃”環節，項目小組按照既定工作步驟和程序工作，通過利用仿真軟件，分析、設計實際工程項目；最后，學生利用仿真軟件展示自己的項目成果，接受他人的評價和教師的反饋。該方案需要通過定期評價和反饋對實施效果進行評價，對教學過程中出現的問題不斷完善。

2.2 實例舉證

文章以設計實現多移動傳感器的編隊控制為例，進行現代控制理論課程的綜合改革。具體的網絡拓撲圖如圖2所示，要求建立系統的數學模型，設計編隊控制協議并進行仿真驗證，以實現分布式編隊控制[7]。

圖2 多移動傳感器系統的網絡拓撲圖

該教學項目涵蓋了系統模型的建立及轉換、系統穩定性及可控、可觀測性分析和控制器的設計等知識點，將理論課程中碎片化的知識點構建成相對完善的知識體系，綜合性強。利用Matlab軟件能直觀的反映出系統分析和設計的結果，有利于學生掌握現代控制理論在復雜系統分析和設計中的應用，充分調動學生的學習積極性。按照圖1所示的教學思路，具體的課程實施計劃見表1。

表1 項目實施表

具體實施的結果如下：

在目前可查找的資料中，常見的多移動傳感器系統數學模型有一階模型、二階模型及高階模型，為考慮一般性，引導學生建立高階的動態模型，其描述為

在設計分布式編隊控制協議時，引導學生建立如下的控制協議

運行的結果以圖形形式呈現，其中圖3為誤差系統狀態曲線，表明系統穩定。圖4為多智能體系統狀態曲線，表明系統實現了預先設計的編隊。

圖3 誤差狀態曲線

圖4 多智能體狀態曲線圖

3 結束語

將Matlab引入到現代控制理論課程教學中，不僅可以對理論知識進行驗證，使學生進一步理解、掌握理論知識，還可以在實驗資源有限的情況下，最大限度的提高學生分析、設計復雜控制系統的能力，培養學生發現問題、解決問題和自主創新的能力。但在課程教學過程中，如何設計適合的系統案例以及如何將理論內容完整的融入到系統的分析、設計中，仍是需要進一步考慮的問題。