基于MATLAB軟件和NI ELVIS平臺(tái)的自動(dòng)控制原理課程教學(xué)研究與改革

張星紅　王汝鋒　趙志國(guó)

摘? 要：自動(dòng)控制原理是多學(xué)科交叉的一門(mén)專業(yè)課，注重理論和實(shí)踐的密切結(jié)合。該文通過(guò)對(duì)自動(dòng)控制原理的抽象化和強(qiáng)理論性等特點(diǎn)以及學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏積極性和主動(dòng)性等問(wèn)題的分析，為提高教學(xué)質(zhì)量，深化課程的教學(xué)改革，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，將MATLAB語(yǔ)言、NI ELVIS硬件平臺(tái)和自動(dòng)控制理論有機(jī)結(jié)合起來(lái)。理實(shí)平臺(tái)結(jié)合的教學(xué)手段，豐富了課堂的多元化和創(chuàng)新性。學(xué)生可以直觀地分析理論，編寫(xiě)相應(yīng)控制程序，提高了學(xué)生的編程能力、創(chuàng)新思維能力和辯證思維能力，調(diào)動(dòng)了學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，大幅度提高了課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理? MATLAB軟件? ?NI ELVIS平臺(tái)? 教學(xué)改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）05（c）-0015-02

1? 教學(xué)過(guò)程存在的主要問(wèn)題

1.1 推導(dǎo)理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象化

課程涉及的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較為廣泛，從高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、工程高等代數(shù)到離散數(shù)學(xué)等，這些數(shù)學(xué)推導(dǎo)內(nèi)容理論性強(qiáng)、教學(xué)內(nèi)容抽象化、公式推導(dǎo)復(fù)雜化，無(wú)法給學(xué)生一種直觀的感性認(rèn)知和理解。

1.2 實(shí)驗(yàn)與理論未同步，教學(xué)理念滯后

由于實(shí)驗(yàn)課不能與理論課同步進(jìn)行，理論先行實(shí)驗(yàn)滯后的教學(xué)理念，使實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)與理論教學(xué)有一定的時(shí)間間隔，這樣學(xué)生將無(wú)法及時(shí)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論的正確性。同時(shí)，自控原理的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)幾乎都是針對(duì)理論教學(xué)知識(shí)的驗(yàn)證，缺少相關(guān)課程之間的聯(lián)系，盡管學(xué)生做了實(shí)驗(yàn)，但無(wú)法從系統(tǒng)的角度把握所學(xué)知識(shí)，更談不上融會(huì)貫通和學(xué)以致用。

1.3 教學(xué)手段單一

由于自動(dòng)控制原理中理論推導(dǎo)較多、作圖方法較多，在課堂教學(xué)中，僅用PPT課件和黑板的教學(xué)手法具有單一性、枯燥性，無(wú)法給學(xué)生一種直觀的感性認(rèn)知和理解。這種教學(xué)手段很容易造成學(xué)生注意力分散和理解困難，從而對(duì)這門(mén)課程產(chǎn)生抵觸情緒。

1.4 學(xué)時(shí)分配不足

自動(dòng)控制原理內(nèi)容豐富，理論復(fù)雜，目前的理論教學(xué)僅40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)，在滿足教學(xué)進(jìn)度需要的同時(shí)，使得許多知識(shí)點(diǎn)和課后習(xí)題均無(wú)法在課堂上進(jìn)行詳細(xì)講解，進(jìn)一步加大了教學(xué)的難度。

針對(duì)以上教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高老師的教學(xué)質(zhì)量，在教學(xué)過(guò)程中采用MATLAB軟件和理論有機(jī)結(jié)合起來(lái)，借助于NI ELVIS硬件平臺(tái)開(kāi)展自動(dòng)控制原理課程實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到所設(shè)想的教學(xué)效果。

2? 基于MATLAB軟件的自動(dòng)控制原理的理論課程研究與改革

在教學(xué)過(guò)程中，我們將MATLAB語(yǔ)言和自動(dòng)控制理論有機(jī)結(jié)合起來(lái)，既降低了理論的抽象性，增強(qiáng)了直觀性，又讓學(xué)生在課堂教學(xué)中學(xué)會(huì)使用用途極廣的編程語(yǔ)言。在時(shí)域分析章節(jié)中，系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)都是隨時(shí)間變化而變化的，采用MATLAB語(yǔ)言可以幫助學(xué)生調(diào)用各種顯示動(dòng)畫(huà)指令，直觀地分析各種信息隨時(shí)間變化而變化的過(guò)程，克服了教學(xué)內(nèi)容的抽象化。例如，在已知傳遞函數(shù)求系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)的過(guò)程中，首先，給學(xué)生分析理論思路;其次，依據(jù)響應(yīng)概念，用數(shù)學(xué)思維進(jìn)行推導(dǎo);最后，調(diào)用MATLAB的一些控制系統(tǒng)模型，讓學(xué)生在Simulink環(huán)境中進(jìn)行仿真，深入了解一個(gè)系統(tǒng)是如何組成、各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)以什么方式進(jìn)行關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)又是如何運(yùn)作等問(wèn)題。這樣既深化了系統(tǒng)模型方面的概念，又輕松地學(xué)會(huì)了如何使用MATLAB語(yǔ)言中的仿真工具Simulink。

3? 基于NI ELVIS平臺(tái)的自動(dòng)控制原理的實(shí)驗(yàn)課程研究與改革

選擇了NI ELVIS硬件平臺(tái)和LabVIEW軟件環(huán)境開(kāi)展自動(dòng)控制原理課程實(shí)驗(yàn)的改革。這主要是因?yàn)镹I ELVIS結(jié)合了多種現(xiàn)成的儀器功能，但同時(shí)也支持利用LabVIEWW軟件開(kāi)發(fā)特別的實(shí)驗(yàn)功能，而且NI ELVIS和LabVIEW軟件為學(xué)生提供了一個(gè)可擴(kuò)展發(fā)揮的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，可以改變以往按部就班、單純驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)方式。下面舉例說(shuō)明。

以典型的二階系統(tǒng)穩(wěn)定性分析為例，對(duì)課程實(shí)驗(yàn)的改革進(jìn)行詮釋。

（1）實(shí)驗(yàn)接線。

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)上，給定二階系統(tǒng)模擬電路圖，對(duì)電路圖進(jìn)行分析，這樣在學(xué)習(xí)該課程的同時(shí)，也能夠讓學(xué)生體會(huì)到本科和其他課程的相關(guān)性。

（2）實(shí)物連線。

結(jié)合電路模擬圖，在控制電路板對(duì)實(shí)物進(jìn)行連線，在動(dòng)手的過(guò)程中，更好地培養(yǎng)學(xué)生的操作能力和邏輯思維能力。

（3）軟件設(shè)置。

設(shè)置采樣率類(lèi)型為單次采樣，如圖1中A;采樣率設(shè)置為1K，如圖1中B;采樣長(zhǎng)度為4K，如圖1中C;設(shè)置信號(hào)幅值為1，如圖1中D;設(shè)置信號(hào)輸出，將“信號(hào)輸出”按鈕點(diǎn)亮，如圖1中E。

（4）分析其穩(wěn)定性。

學(xué)生雖然不需要自己搭建電路編寫(xiě)程序，但是按照順序做完一些列實(shí)驗(yàn)，可根據(jù)波形分析系統(tǒng)的性能，直觀地體會(huì)“穩(wěn)”“快”“準(zhǔn)”的系統(tǒng)性能。比如，從圖1可以看出系統(tǒng)的上升時(shí)間不到0.5，峰值時(shí)間約0.5，系統(tǒng)最終是穩(wěn)定的，且收斂于1。學(xué)生學(xué)好基本的實(shí)驗(yàn)之后，還可以自由發(fā)揮，在操作的過(guò)程中，可改變其數(shù)據(jù)，可得到不同的圖像，從不同的曲線分析均系統(tǒng)的性能，可經(jīng)過(guò)對(duì)圖像分析更好地詮釋理論知識(shí)。

4? 結(jié)語(yǔ)

將MATLAB語(yǔ)言和NI ELVIS硬件平臺(tái)應(yīng)用于自控原理課程教學(xué)改革中，可以使MATLAB語(yǔ)言、NI ELVIS硬件平臺(tái)和自動(dòng)控制原理課程的內(nèi)容有效地結(jié)合。既能降減弱自動(dòng)控制原理的抽象性，又可以增強(qiáng)理論的直觀性，讓學(xué)生在有限的課堂時(shí)間中輕松地學(xué)會(huì)自動(dòng)控制原理的理論知識(shí)，同時(shí)也學(xué)會(huì)了MATLAB編程工具和了解了NI ELVIS硬件平臺(tái)。從而有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣。

參考文獻(xiàn)

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