基于ＭＡＴＬＡＢ的Ｎｏｔｅｂｏｏｋ功能在自動(dòng)控制原理教學(xué)中的應(yīng)用

摘要：根據(jù)自動(dòng)控制原理課程的特點(diǎn)和授課內(nèi)容要求，結(jié)合多媒體教學(xué)實(shí)踐，提出了在課堂上將MATLAB的Notebook功能和PowerPoint課件有機(jī)融合起來的現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)方法。該方法不僅圖文并茂、動(dòng)靜結(jié)合，而且可以讓學(xué)生看到實(shí)時(shí)的科學(xué)計(jì)算結(jié)果，從而有效的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)抽象理論知識(shí)的理解和彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的不足。

關(guān)鍵詞：MATLAB；Notebook；根軌跡；開環(huán)零點(diǎn)；教學(xué)

《自動(dòng)控制原理》不僅是自動(dòng)控制專業(yè)的基礎(chǔ)理論課，也是電子信息、計(jì)算機(jī)等專業(yè)的基礎(chǔ)理論課。該課程雖然受眾面廣，但課程內(nèi)容抽象、公式應(yīng)用靈活、前后聯(lián)系緊密，且涉及大量的物理量及微分方程，僅通過講授的方式，學(xué)生很難理解和接受，而通過增加實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的方式又需投入大量的人力、物力和時(shí)間。因此也需要尋找一種簡(jiǎn)捷易行、方便直觀的新型教學(xué)方式，來彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足。

教學(xué)改革

教學(xué)現(xiàn)狀傳統(tǒng)教學(xué)大多采用板書的形式，在學(xué)習(xí)《自動(dòng)控制原理》課程的基本理論時(shí)，因?yàn)橛?jì)算量大、圖形復(fù)雜的特點(diǎn)，實(shí)際講授時(shí)，為使學(xué)生掌握其基本理論知識(shí)、避開繁瑣的計(jì)算，盡量選用一些計(jì)算量小、圖形簡(jiǎn)單的例題進(jìn)行講解。由于手工繪制圖形費(fèi)時(shí)、不精確，也導(dǎo)致課堂教學(xué)中信息量較少、教學(xué)深度略顯不足的缺陷。計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，使多媒體教學(xué)在高等學(xué)校中的地位越來越重要。由于PowerPoint功能強(qiáng)大、實(shí)用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單，用它來制作《自動(dòng)控制原理》多媒體教學(xué)課件，能夠根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度進(jìn)行交互式教學(xué)，克服了教師課堂教學(xué)條件的局限性，不僅信息量大，而且根據(jù)課堂需要通過鏈接可以隨時(shí)回顧所學(xué)知識(shí)點(diǎn)，同時(shí)也克服了板書內(nèi)容擦掉不可恢復(fù)的缺點(diǎn)。但其對(duì)圖形的處理和獲取卻很困難，而在課程的學(xué)習(xí)中必須采用各種圖形進(jìn)行分析。可見，如果采用常規(guī)的多媒體教學(xué)手段，雖然學(xué)生在課堂上的知識(shí)量增加了，但理解難度也增加了。針對(duì)本課程的特點(diǎn)，結(jié)合MATLAB語(yǔ)言所具有的優(yōu)勢(shì)，如果能在實(shí)際的教學(xué)過程中充分利用MATLAB的特點(diǎn)，不僅有助于提高教學(xué)質(zhì)量，節(jié)約課時(shí)，而且對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣都將起到積極的作用。

MATLAB Notebook簡(jiǎn)介MATLAB Notebook制作的M-book文檔不僅擁有MS-WORD的全部文字處理功能，而且具備MATLAB無(wú)與倫比的數(shù)學(xué)解算能力和靈活自如的計(jì)算結(jié)果可視化能力。它既可以看作解決各種計(jì)算問題的科技應(yīng)用軟件，也可看作具備完善編輯功能的字處理文件。

教學(xué)方法改革將MATLAB軟件引入到多媒體教學(xué)中，可以克服傳統(tǒng)教學(xué)中講解內(nèi)容抽象、手工繪圖不準(zhǔn)確和不直觀、教學(xué)內(nèi)容難以擴(kuò)展等方面的不足。可以應(yīng)用MATLAB來建立一個(gè)適用于課堂教學(xué)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，在課堂上隨時(shí)演示系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、參數(shù)變化的過程和結(jié)果，將系統(tǒng)的過渡過程生動(dòng)形象地表現(xiàn)出來，有利于學(xué)生對(duì)抽象概念的理解。以往的教學(xué)受教學(xué)要求的限制，一般只能分析簡(jiǎn)單的二階系統(tǒng)，而利用MATLAB，就可以對(duì)高階系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。因此教學(xué)平臺(tái)的引入使學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)的概念及控制性能的分析有了較為感性的認(rèn)識(shí)，可以幫助學(xué)生建立正確的專業(yè)思想。比如，在計(jì)算機(jī)上利用MATLAB仿真出系統(tǒng)零極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能的影響、校正前后系統(tǒng)階躍響應(yīng)的對(duì)比、離散系統(tǒng)中采用頻率的選擇對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響等等。由于M-book文檔能“無(wú)縫”地與PowerPoint相鏈接，用M-book寫成的電子講義不僅圖文并茂，且動(dòng)靜結(jié)合，使學(xué)生不僅可以看見事先編排的教學(xué)軟件，而且可以根據(jù)學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握情況，隨時(shí)更改系統(tǒng)參數(shù)，讓他們看到實(shí)時(shí)科學(xué)計(jì)算結(jié)果，增加他們的臨場(chǎng)感、參與感。

應(yīng)用實(shí)例

在授課過程中，將基本概念和原理給學(xué)生講通講透的同時(shí)，充分利用計(jì)算機(jī)的表現(xiàn)能力將抽象問題具體化。在自動(dòng)控制原理課程中采用MATLAB Notebook的文檔功能，可以非常容易現(xiàn)場(chǎng)獲取各種圖形，可以根據(jù)學(xué)生的掌握情況任意畫圖。

例如我們?cè)谥v解控制系統(tǒng)根軌跡的性能分析一節(jié)的第二部分內(nèi)容“開環(huán)零點(diǎn)對(duì)控制系統(tǒng)的影響”時(shí)，將內(nèi)容劃分為三個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行講解：

通過此根軌跡，我們可以很清晰地觀察到實(shí)軸上的根軌跡分布在0與-1之間以及-2的左方，而當(dāng)系統(tǒng)的開環(huán)增益K大于某值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)實(shí)部大于零的共軛復(fù)根，系統(tǒng)將無(wú)法穩(wěn)定。

系統(tǒng)根軌跡的形狀取決于系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)中的零點(diǎn)和極點(diǎn)的分布。可通過增加開環(huán)零點(diǎn)和極點(diǎn)的手段來改造根軌跡，從而實(shí)現(xiàn)改善系統(tǒng)性能的目的。

對(duì)照?qǐng)D3，可以直觀地反映增加開環(huán)零點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)根軌跡的影響：根軌跡在實(shí)軸上的分布改變了，曲線向左偏移，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。再根據(jù)演示的結(jié)果，將理論和圖形結(jié)合起來進(jìn)行講解。還可以通過改變?cè)黾拥拈_環(huán)零點(diǎn)與某個(gè)極點(diǎn)重合或距離很近，構(gòu)成開環(huán)偶極子，觀察系統(tǒng)的變化。

圖4的三條曲線為系統(tǒng)分別增加開環(huán)零點(diǎn)（s+0.5）、（s+1）、（s+2）時(shí)對(duì)階躍函數(shù)響應(yīng)的曲線。從圖中可見，所加的零點(diǎn)越小，即時(shí)間常數(shù)Tm越大，則階躍過渡過程越大，上升時(shí)間減小，使系統(tǒng)的跟蹤速度加快。從而可以將理論講解的內(nèi)容引申到根據(jù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的要求確定可變參數(shù)等方面。

綜合圖2、圖3和圖4，增加開環(huán)零點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能的影響以及不同零點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能的影響一目了然、印象深刻，而且問題表達(dá)得清楚連貫。

由于課堂上直接進(jìn)行演示，使得本課程教師教起來輕松，學(xué)生學(xué)起來愉悅，提高了上課效率，也使得該課程的教學(xué)更加生動(dòng)、活躍，方便學(xué)生理解和掌握比較抽象的問題，有助于學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)和科研能力的提高。

在MATLAB中，已經(jīng)把復(fù)雜的概念和數(shù)學(xué)公式編織成可以直接調(diào)用的函數(shù)。可以調(diào)用來講解許多概念和理論的實(shí)際意義和應(yīng)用，因此我們?cè)谘菔緢D形時(shí)只是將MATLAB作為一種輔助教學(xué)手段，淡化了程序的編寫過程，程序的編寫非常簡(jiǎn)潔，只讓學(xué)生觀察仿真結(jié)果和比較各個(gè)圖形，使課本中的抽象原理形象化，提高了教學(xué)效果。

自動(dòng)控制理論這門課理論性強(qiáng)，對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高，學(xué)生學(xué)起來普遍感到概念抽象、理解困難。因此在教學(xué)改革探索中我們注意在MATLAB教學(xué)平臺(tái)上將課堂理論教學(xué)與可視化圖形進(jìn)行整合。MATLAB強(qiáng)大的繪圖功能和Notebook的文檔功能使得課堂教學(xué)中用圖形來驗(yàn)證理論不再是一件繁瑣的事情，顯得直觀、方便。無(wú)論講解時(shí)域分析法、頻域分析法、根軌跡法還是狀態(tài)空間分析法均可將Notebook功能引入課堂現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)。

在教學(xué)過程中，通過MATLAB語(yǔ)言的Notebook功能和自動(dòng)控制理論的多媒體軟件的有機(jī)結(jié)合，降低了自動(dòng)控制理論的抽象性，增強(qiáng)了直觀性，緩解了教學(xué)課時(shí)偏少以及當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室跟不上教學(xué)需要的困境，同時(shí)給學(xué)生創(chuàng)造了應(yīng)用計(jì)算機(jī)的環(huán)境和條件，讓學(xué)生在課程學(xué)習(xí)的同時(shí)，輕松學(xué)會(huì)使用最先進(jìn)的編程工具。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧永強(qiáng)，方治華，賈宏玉.MATLAB語(yǔ)言用于力學(xué)專業(yè)學(xué)生教學(xué)的研究[J].內(nèi)蒙古石油化工，2006，8：49-50.

[2]王艷秋.基于MATLAB教學(xué)平臺(tái)的自動(dòng)控制理論教學(xué)改革與實(shí)踐[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，2：122-124.

[3]李麗，王振領(lǐng).MATLAB工程計(jì)算及應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2001：294-306.

[4]曹建云.基于MATLAB教學(xué)平臺(tái)的自動(dòng)控制理論教學(xué)改革探索[J].南通工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，12：133-135.

[5]陳懷琛，吳大正，高西全.MATLAB及在電子信息課程中的應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002：223-261.

[6]郭瓊，基于Matlab的Powergui性能在電力工程教學(xué)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2004，4：80-84.

[7]晁勤，傅成華，等.自動(dòng)控制原理[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2001：95-101.

[8]劉俏.MATLAB輔助化工原理教學(xué)的實(shí)踐[J].高等理科教育，2006，5（69）：80-83.

作者簡(jiǎn)介：

姚曉寧（1969—），陜西富平人，無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦呗氉詣?dòng)控制理論教學(xué)研究。

郭瓊（1969—），四川營(yíng)山人，無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，副教授，研究方向?yàn)楦呗氉詣?dòng)控制理論教學(xué)研究。