控制系統仿真課程內容改革及實踐

摘 要: 《控制系統仿真》課程是自動化專業及相關電類專業課程體系中一門重要的專業課。為了提高教學質量，本文作者在該課程的教學改革實踐中，對其教學內容、教學方式與實踐環節進行了改革與實踐，培養學生的創新意識、創新能力，發散思維、分析問題的方法和解決問題的能力等，取得了較好的效果。

關鍵詞: 《控制系統仿真》 課程內容體系與教學方式改革 實踐教學環節改革

1.引言

仿真技術已經是當下工程師們必須掌握的基本技能之一。《控制系統仿真》是一門講授仿真的基本原理、算法和計算機實現的課程，是工業電氣自動化、自動控制、過程控制和機電工程等專業課程體系中一門重要的專業課，是溝通現實與理論必不可少的橋梁。該課程作為一門聯系自動控制理論/系統/設計、課程設計和畢業設計等教學環節的仿真基礎類課程，以《計算機基礎》、《Matlab語言及應用》、《自動控制原理》等課程為前期先修課程，也作為同期或后續課程如《電力拖動與自控系統》、《運動控制系統》、《計算機控制技術》、《現代控制理論》的工具課程，其目的是指導學生掌握解決控制系統分析與設計的一種有效的計算機輔助設計手段，提高學生的實踐能力和綜合解決問題的能力[1]、[2]。為了在有限的學時內使學生盡快掌握該知識，并且在理論分析與實踐仿真兩個方面的能力都有所提高。我們對其課程內容體系與教學方式進行了一些探索研究與實踐。

2.課程內容體系與教學方式改革

該課程的具體內容包括仿真的基本方法與原理，建模，數值計算，優化問題求解方法，Matlab與Simulink基礎。在該課程的授課過程中對原理性的內容逐步進行分析講解，并且利用仿真工具演示加深學生對知識的理解。

2.1課程重點內容歸納

授課時的重點內容歸結如下:該課程開設的必要性、意義，以及其基本概念→控制系統建模的基本方式方法→數值計算方法及仿真計算→Matlab基本使用技術及程序設計和Simulink基礎→控制系統設計仿真及其優化→工程舉例等。該課程實際安排課時為32課時，其中理論知識的講授課時安排為24學時，上機實踐課時安排為8學時。圍繞該重點內容通過對相關知識的講解與實踐，使學生初步具備建模、設計、仿真這一過程。

2.2理論知識授課部分的改革

理論知識講授的部分主要講解該課程的背景、應用及其發展趨勢，控制系統的實驗方法，控制系統建模的基本方法及其實例，常微分方程和差分方程基本的數值積分求解方法，Matlab與Simulink基礎及其作為工具在控制系統仿真過程中的使用和控制系統仿真的具體實現。

該部分知識主要使學生對控制系統仿真這門課程有一定的感性認識，配合實踐課時使其能夠對控制系統的建模、設計、仿真這一系列過程有一定的理性認識。該部分知識主要以仿真方法及其如何使用仿真工具來實現為重點難點進行詳細講解。

其中，仿真工具部分的課時安排占了一定的比重，為實踐教學環節作了必要的鋪墊[3]。主要是講述Matlab的基本運行環境，及其Simulink模塊的基本操作，使學生具備實現控制系統仿真的能力。該部分教學內容安排如下:Matlab的基本操作與使用、矩陣運算與操作、二維三維圖形繪制、控制工具箱等;基于Matlab的各種模型的實現、轉換、串并聯及反饋的構建;利用Matlab編程方式實現多項式的處理，便于控制系統模型的建立和描述，實現基于數值積分方法的微分方程求解仿真，實現數據分析等功能;還有實現基于離散相似法的仿真，以及實現基于Simulink的控制系統的模型的構造，數值仿真和系統分析，等等。

通過對該課程內容的歸納，圍繞重點難點知識合理安排各部分的授課課時，理論聯系實際，列舉實際案例幫助學生更好地理解理論知識和掌握仿真工具的使用。

2.3教學方式改革

該課程的內容既涉及仿真算法等一些理論知識，又涉及仿真工具，知識面較廣。

為了能夠得到較好的教學效果，在教學方式方面該課程授課采用了多媒體的方式，加強互動環節，一面講授理論知識，一面使用仿真工具演示，并且說明理論知識的使用方法和適用場合，將理論和實際相結合，將實際案例融入到課堂教學當中。并且詳細介紹仿真的工具的使用，一步步演示，使每個學生都能夠在課堂上對仿真工具的使用有一個初步的認識。

作業的形式都以實驗報告的形式給出，讓每個學生都能通過實踐教學過程鞏固自己所學的知識，驗證自己的算法。

考試的形式以上機操作結合理論知識考試得出，既加深了學生對理論知識的理解和掌握，又加強了學生的動手能力。

3.實踐教學環節改革

該課程的實踐教學環節安排的課時數為8學時，根據教學過程中發現的問題，可以靈活地進行調整。認識類的實踐課時為2個或者4個，如:Simulink工具箱的使用及操作、PID工具箱的應用;驗證及工程仿真類的實踐課時為4個或者6個。如:基于二容水箱系統的算法驗證、平面倒立擺的建模與仿真，直流電機雙閉環調速系統的參數仿真優化，等等。

4.結語

我們對教學內容及其方式的改革，使學生在課堂上與老師有很好的交流，增強了互動，通過案例演示激發了學生的興趣，加深了學生對授課內容的理解。大多數學生都能夠獨立自主的完成實驗和大作業。實驗和作業的范圍涉及運動控制和過程控制等自動化專業相關的課程，收到了良好的教學效果。

參考文獻:

[1]張曉華.控制系統數字仿真與CAD[M].北京:機械工業出版社，2005.

[2]薛定宇.控制系統計算機輔助設計——Matlab語言與應用(第2版)[M].北京:清華大學出版社，2006.

[3]樓順天，于衛.基于Matlab的系統分析于設計[M].西安:西安電子科技大學出版社，2000.