论文部分内容阅读
摘 要 本文根据MATLAB在控制系统建模仿真方面的优势，从教学内容安排、教学方法实施、教学平台构建等三个方面分析了MATLAB在连接控制系统教学中的必要性和可行性。
关键词 控制系统 MATLAB 计算机辅助设计 仿真
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.08.048
Discussion on the Application of MATLAB in Control System Teaching
KAN Xiu， LI Yuanyuan， LUO Xiao， XI Zhenghao
（College of Electrical and Electronic Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620）
Abstract In this paper， according to the advantage of MATLAB in control system molding and simulation， the necessity and feasibility has been analyzed form three aspects including teaching content， teaching method and teaching platform.
Keywords control system； MATLAB； computer-aided design； simulation
0 引言
随着现代文明的不断进步，起源于20世纪初的自动化科学作为一门在军事、航空、航天、直至社会生活中均有重要应用价值的学科也在快速发展，自动化是基于物理学、数学、系统科学、社会学等领域发展起来的一门交叉学科。对于自动化专业的学生而言，他们所学习的自动控制原理等专业课程更关注的是控制系统数理特性的理论表达，使得他们所理解的控制系统局限在概念化、数学化和抽象化，那么如何将所学理论知识进行数值仿真校验，使得理论结果与实际接轨表现的更为具象化、数值化、图表化也就成为自动化领域的首要问题。为了解决控制系统研究及应用过程中繁琐计算、曲线绘制、控制与设计等问题，大量的控制系统仿真与设计软件应运而生，这些软件也在很大程度上提高了科研与技术人员的工作效率。
MATLAB是Math Works公司于年推出的一种科学计算软件，它是一种以矩阵为基本编程单元的程序设计语言，具有强大的数值计算功能、图形表达功能及可视化的仿真环境。近十几年来，MATLAB凭借其强大的计算功能、图形功能及simulink模块仿真等功能，已然成为控制系统仿真与设计领域中的佼佼者。自动化作为强调应用实践的工科专业，如果在教学过程中能够将传统实验和计算机仿真结合，将验证性实验和设计性实验相结合，采用灵活多样的形式和丰富多样的内容，激发学生兴趣的同时亦达到较好的教学效果。因此，将MATLAB技术引入到控制系统的学习中来，将二者有机结合起来将更有助于自动化专业课程的教学。[1-3]
1 教學内容的安排与设计
传统教育观念下的控制系统教学，教学内容呈现方式缺乏直观性，以理论课教学为主辅以少量验证性试验，枯燥无味，学生来很难真正理解掌握，而这样的知识强制性灌输形式也很难提起学生的学习兴趣。因此，后续教学中应注意根据自动化学科的发展趋势，了解自动化学科在其他专业领域内的交叉融合情况，参考社会对专业人才的技术要求，以学生的认知的规律和程度为基础，对MATLAB技术在控制系统中的应用教学内容进行全面的优化。通过全MATLAB软件仿真设计实际控制系统，一方面可以帮助学生验证理论的结论是否正确；另一方面帮助学生把更多注意力放在知识的掌握和应用上。
在教学内容的安排与设计方面，着眼于控制理论的建模与仿真实现，加强基础的同时进行扩展应用，从纵向和横向两个方面组织教学内容。首先，从纵向方面深入的学习课程基础知识，理清MATLAB语言程序设计的基本思想、方法和概念，透彻讲解控制系统相关工具箱的原理与使用过程。其次，从横向方面实现控制理论的具体应用，基于实际工程系统工作机理，由浅入深地介绍MATLAB在系统建模、模型运算、控制器设计等方面的分析与应用过程，实现经典控制系统设计与现代控制系统设计的过渡与衔接。在授课过程中，注意采用合适的工程应用实例作为实验部分配合教学内容的讲授，让学生对所学知识进行更深入的理解和消化，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。
自动化专业的学习不仅要求学生掌握控制系统的基本理论与方法，更要使之成为自动控制理论、计算机控制、课程设计和毕业设计等后续课程的学习和实践中验证或判断理论结论正确性、有效性的数值检验工具。也就是说，针对控制系统的MATLAB技术的教学需要注重理论与实践关联性等内容的教学环节，培养学生形成独立的、创造性的思维能力和工作能力。因此，在课时分配方面，应该尽量压缩理论部分的课堂教学课时，预留足够的课时使学生在熟悉MATLAB技术的过程中充分掌握控制系统建模与仿真方法，或者在实验的过程中穿插讲解理论知识，使学生能更加生动地理解所学知识。[4-6]
2 教学方法的实施与优化
2.1 关注学科发展，教学内容柔性安排
随着各个学科交叉融合的不断深入，在对课程整体优化的前提下，充分考虑自动化学科的发展，以事实为载体打开学生视野。将学习MATLAB的基本思想、方法和概念作为课程的起点，通过MATLAB重新介绍控制系统的相关知识，建立以控制理论为主线，MATLAB为辅的控制系统分析与设计的课程体系。[7，8]以典型实例和先进方法等专题分析的方式深化学生对自动化学科的认知与前沿知识的吸收，以课上课下讨论和随堂报告的学习形式拓展学生对相关材料的理解。根据实际教学情况与学生的反馈，不断梳理教学内容并及时调整教学方式以便于学生易于接受。 2.2 实际问题为引导，完成控制系统建模仿真
以调动学生学习的积极性与主动性为出发点，根据课程内容引出实际问题，引导学生进行课题思考与仿真求证，形成教师主控学生主管的实验学习模式。让学生带着问题走进实验室，实验室内完成交流讨论与建模仿真，而后体会控制系统理论知识的意义，再带着对工程实践的理解走出实验室。实验过程中，教师可以更好地了解教学效果，以便及时调整教学内容与教学方法。同时，这种“教、学、思、做、结”相结合的教学方法，不仅为学生提供了自我成长的空间，更能培养学生创新思维、自主分析解决问题的能力。教学过程中注重学生的独立思考、互动讨论和动手实践等能力的培养，引导学生养成主动学习、深入分析、实际中发现问题和解决问题的好习惯。
2.3 丰富教学手段，建立多维立体式教学平台
选用英文原版教材，从内容架构体系出发，以图文并茂的形式制作教学课件，形象具体的展现专业知识，同时力求从学生的角度更生动的完成知识接收。并针对《现代电力电子学》中的基本原理和技术参数，采用板书推导演算的方式让学生充分了解其中蕴含的数学及物理等属性。利用板书与多媒体结合互动的方式，充分调动学生的学习积极性，克服传统教学模式存在的许多缺陷，如节奏慢，所能表现内容的深度、广度及手法极为有限等问题。寻找获得最佳授课效果的方法，建立起集情景化、趣味性与可视化为一体的数字化慕课、微课学习资源包，便于学生在互联网环境下任意时间任意地点进行有针对性的学习。
2.4 对接未来发展，建立多维立体式教学平台
MATLAB在控制系统教学中的应用原则，即是加深学生对控制理论的理解、启发学生的创新思维、激发学生的学习热情、对接学科未来发展，那么从教与学的多维角度搭建合理的教学平台能够促进教学的良性循环。根据教学需要与学科发展自主编写适合学生学习的教材，公开教学视频、教材与教学过程中例题的程序代码，方便学生自主学习，简化典型问题的求解难度。建立PPT、Flash、MATLAB、LaTeX、C++等有机结合的多媒体教学课件，立体化地呈现教学内容，加强学生的直观理解。开启中英为授课学习方式，实现国内外知识学习的无缝连接，推动学生打开国际视野。
3 小结
随着科学技术的快速发展，各类计算机仿真设计软件的应用越来越广泛，而MATLAB是作为今最优秀的科技应用软件之一，在自动化控制系统辅助教学中起着举足轻重的作用， MATLAB软件的引入不仅能解决传统教学中存在的枯燥不形象等弊端，弥补实际验证性实验器材不足的缺点，有效提高教学效率和质量，增加学生学习兴趣拓宽学生视野。本文对MATLAB在控制系统教学中的应用进行了探讨，分別从教学内容安排、教学方法实施、教学平台构建等三个方面分析了MATLAB在连接控制系统与实践仿真之间的重要作用，致力于通过MATLAB在控制系统中的应用教学，培养学生的理论与实践的融汇学习能力、创新思维能力和工作实践能力。在教学过程中注意合理架构教学内容、创建先进教学环境、整合现代教学手段，打造理论与实际相结合、实践与技术相衔接的专业特色课程，为培养高素质高技能的专业人才打下坚实的基础。
本文由上海工程技术大学课程建设项目基金资助（k201602002， k201702001）
参考文献
[1] 芮云生. MATLAB在电工学教学中的应用研究[D].湖南师范大学，2008.
[2] 潘峰，薛定宇，陈大力，崔建江.控制系统仿真与CAD 国家精品资源共享课程建设[J].实验室研究与探索，2013.32（11）：286-289.
[3] 林峰.“Matlab 与系统仿真”课程的教学改革[J].电气电子教学学报，2015.37（3）：12-14.
[4] 邢雅周.控制系统仿真软件的设计与开发[D].河北农业大学，2005.
[5] 钱惠敏，周军，孙永辉，任祖华.《系统建模与仿真》课程教改探讨——面向卓越工程师教育培养计划[J].科技创新导报，2015.22：99-100.
[6] 薛定宇.控制系统计算机辅助设计——MATLAB 语言与应用[M].北京：清华大学出版社，2012.
[7] 薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/Simulink 的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2011.
[8] 潘峰，薛定宇，陈大力.MATLAB 语言课程在电气信息类专业教学中的应[J].电气电子教学学报，2009.31：57-59.
关键词 控制系统 MATLAB 计算机辅助设计 仿真
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.08.048
Discussion on the Application of MATLAB in Control System Teaching
KAN Xiu， LI Yuanyuan， LUO Xiao， XI Zhenghao
（College of Electrical and Electronic Engineering， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620）
Abstract In this paper， according to the advantage of MATLAB in control system molding and simulation， the necessity and feasibility has been analyzed form three aspects including teaching content， teaching method and teaching platform.
Keywords control system； MATLAB； computer-aided design； simulation
0 引言
随着现代文明的不断进步，起源于20世纪初的自动化科学作为一门在军事、航空、航天、直至社会生活中均有重要应用价值的学科也在快速发展，自动化是基于物理学、数学、系统科学、社会学等领域发展起来的一门交叉学科。对于自动化专业的学生而言，他们所学习的自动控制原理等专业课程更关注的是控制系统数理特性的理论表达，使得他们所理解的控制系统局限在概念化、数学化和抽象化，那么如何将所学理论知识进行数值仿真校验，使得理论结果与实际接轨表现的更为具象化、数值化、图表化也就成为自动化领域的首要问题。为了解决控制系统研究及应用过程中繁琐计算、曲线绘制、控制与设计等问题，大量的控制系统仿真与设计软件应运而生，这些软件也在很大程度上提高了科研与技术人员的工作效率。
MATLAB是Math Works公司于年推出的一种科学计算软件，它是一种以矩阵为基本编程单元的程序设计语言，具有强大的数值计算功能、图形表达功能及可视化的仿真环境。近十几年来，MATLAB凭借其强大的计算功能、图形功能及simulink模块仿真等功能，已然成为控制系统仿真与设计领域中的佼佼者。自动化作为强调应用实践的工科专业，如果在教学过程中能够将传统实验和计算机仿真结合，将验证性实验和设计性实验相结合，采用灵活多样的形式和丰富多样的内容，激发学生兴趣的同时亦达到较好的教学效果。因此，将MATLAB技术引入到控制系统的学习中来，将二者有机结合起来将更有助于自动化专业课程的教学。[1-3]
1 教學内容的安排与设计
传统教育观念下的控制系统教学，教学内容呈现方式缺乏直观性，以理论课教学为主辅以少量验证性试验，枯燥无味，学生来很难真正理解掌握，而这样的知识强制性灌输形式也很难提起学生的学习兴趣。因此，后续教学中应注意根据自动化学科的发展趋势，了解自动化学科在其他专业领域内的交叉融合情况，参考社会对专业人才的技术要求，以学生的认知的规律和程度为基础，对MATLAB技术在控制系统中的应用教学内容进行全面的优化。通过全MATLAB软件仿真设计实际控制系统，一方面可以帮助学生验证理论的结论是否正确；另一方面帮助学生把更多注意力放在知识的掌握和应用上。
在教学内容的安排与设计方面，着眼于控制理论的建模与仿真实现，加强基础的同时进行扩展应用，从纵向和横向两个方面组织教学内容。首先，从纵向方面深入的学习课程基础知识，理清MATLAB语言程序设计的基本思想、方法和概念，透彻讲解控制系统相关工具箱的原理与使用过程。其次，从横向方面实现控制理论的具体应用，基于实际工程系统工作机理，由浅入深地介绍MATLAB在系统建模、模型运算、控制器设计等方面的分析与应用过程，实现经典控制系统设计与现代控制系统设计的过渡与衔接。在授课过程中，注意采用合适的工程应用实例作为实验部分配合教学内容的讲授，让学生对所学知识进行更深入的理解和消化，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。
自动化专业的学习不仅要求学生掌握控制系统的基本理论与方法，更要使之成为自动控制理论、计算机控制、课程设计和毕业设计等后续课程的学习和实践中验证或判断理论结论正确性、有效性的数值检验工具。也就是说，针对控制系统的MATLAB技术的教学需要注重理论与实践关联性等内容的教学环节，培养学生形成独立的、创造性的思维能力和工作能力。因此，在课时分配方面，应该尽量压缩理论部分的课堂教学课时，预留足够的课时使学生在熟悉MATLAB技术的过程中充分掌握控制系统建模与仿真方法，或者在实验的过程中穿插讲解理论知识，使学生能更加生动地理解所学知识。[4-6]
2 教学方法的实施与优化
2.1 关注学科发展，教学内容柔性安排
随着各个学科交叉融合的不断深入，在对课程整体优化的前提下，充分考虑自动化学科的发展，以事实为载体打开学生视野。将学习MATLAB的基本思想、方法和概念作为课程的起点，通过MATLAB重新介绍控制系统的相关知识，建立以控制理论为主线，MATLAB为辅的控制系统分析与设计的课程体系。[7，8]以典型实例和先进方法等专题分析的方式深化学生对自动化学科的认知与前沿知识的吸收，以课上课下讨论和随堂报告的学习形式拓展学生对相关材料的理解。根据实际教学情况与学生的反馈，不断梳理教学内容并及时调整教学方式以便于学生易于接受。 2.2 实际问题为引导，完成控制系统建模仿真
以调动学生学习的积极性与主动性为出发点，根据课程内容引出实际问题，引导学生进行课题思考与仿真求证，形成教师主控学生主管的实验学习模式。让学生带着问题走进实验室，实验室内完成交流讨论与建模仿真，而后体会控制系统理论知识的意义，再带着对工程实践的理解走出实验室。实验过程中，教师可以更好地了解教学效果，以便及时调整教学内容与教学方法。同时，这种“教、学、思、做、结”相结合的教学方法，不仅为学生提供了自我成长的空间，更能培养学生创新思维、自主分析解决问题的能力。教学过程中注重学生的独立思考、互动讨论和动手实践等能力的培养，引导学生养成主动学习、深入分析、实际中发现问题和解决问题的好习惯。
2.3 丰富教学手段，建立多维立体式教学平台
选用英文原版教材，从内容架构体系出发，以图文并茂的形式制作教学课件，形象具体的展现专业知识，同时力求从学生的角度更生动的完成知识接收。并针对《现代电力电子学》中的基本原理和技术参数，采用板书推导演算的方式让学生充分了解其中蕴含的数学及物理等属性。利用板书与多媒体结合互动的方式，充分调动学生的学习积极性，克服传统教学模式存在的许多缺陷，如节奏慢，所能表现内容的深度、广度及手法极为有限等问题。寻找获得最佳授课效果的方法，建立起集情景化、趣味性与可视化为一体的数字化慕课、微课学习资源包，便于学生在互联网环境下任意时间任意地点进行有针对性的学习。
2.4 对接未来发展，建立多维立体式教学平台
MATLAB在控制系统教学中的应用原则，即是加深学生对控制理论的理解、启发学生的创新思维、激发学生的学习热情、对接学科未来发展，那么从教与学的多维角度搭建合理的教学平台能够促进教学的良性循环。根据教学需要与学科发展自主编写适合学生学习的教材，公开教学视频、教材与教学过程中例题的程序代码，方便学生自主学习，简化典型问题的求解难度。建立PPT、Flash、MATLAB、LaTeX、C++等有机结合的多媒体教学课件，立体化地呈现教学内容，加强学生的直观理解。开启中英为授课学习方式，实现国内外知识学习的无缝连接，推动学生打开国际视野。
3 小结
随着科学技术的快速发展，各类计算机仿真设计软件的应用越来越广泛，而MATLAB是作为今最优秀的科技应用软件之一，在自动化控制系统辅助教学中起着举足轻重的作用， MATLAB软件的引入不仅能解决传统教学中存在的枯燥不形象等弊端，弥补实际验证性实验器材不足的缺点，有效提高教学效率和质量，增加学生学习兴趣拓宽学生视野。本文对MATLAB在控制系统教学中的应用进行了探讨，分別从教学内容安排、教学方法实施、教学平台构建等三个方面分析了MATLAB在连接控制系统与实践仿真之间的重要作用，致力于通过MATLAB在控制系统中的应用教学，培养学生的理论与实践的融汇学习能力、创新思维能力和工作实践能力。在教学过程中注意合理架构教学内容、创建先进教学环境、整合现代教学手段，打造理论与实际相结合、实践与技术相衔接的专业特色课程，为培养高素质高技能的专业人才打下坚实的基础。
本文由上海工程技术大学课程建设项目基金资助（k201602002， k201702001）
参考文献
[1] 芮云生. MATLAB在电工学教学中的应用研究[D].湖南师范大学，2008.
[2] 潘峰，薛定宇，陈大力，崔建江.控制系统仿真与CAD 国家精品资源共享课程建设[J].实验室研究与探索，2013.32（11）：286-289.
[3] 林峰.“Matlab 与系统仿真”课程的教学改革[J].电气电子教学学报，2015.37（3）：12-14.
[4] 邢雅周.控制系统仿真软件的设计与开发[D].河北农业大学，2005.
[5] 钱惠敏，周军，孙永辉，任祖华.《系统建模与仿真》课程教改探讨——面向卓越工程师教育培养计划[J].科技创新导报，2015.22：99-100.
[6] 薛定宇.控制系统计算机辅助设计——MATLAB 语言与应用[M].北京：清华大学出版社，2012.
[7] 薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/Simulink 的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2011.
[8] 潘峰，薛定宇，陈大力.MATLAB 语言课程在电气信息类专业教学中的应[J].电气电子教学学报，2009.31：57-59.