基于MATLAB实验平台的“自动控制原理”实验教学改革

基于MATLAB/Simulink实验平台的“自动控制原理”实验教学改革

林怀蔚　周华茂　马文烈

“自动控制原理”课程是电子信息工程专业必修的一门重要专业基础课，课程内容丰富，覆盖知识面广。“自动控制原理”实验是配合“自动控制原理”课程教学的一项重要教学环节，通过实验能够巩固自动控制基础理论知识，培养学生的实践技能、动手能力、分析问题和解决问题的能力，启发学生的创新意识和创新思维潜力，有效地提高教学质量。因此，加强自动控制原理课程的实验教学在电子信息类专业人才的培养过程中起着非常重要的作用。

2002年，我院开始招收电子信息工程专业本科生，作为该专业的专业基础课，在几年的教学过程中，笔者利用MATLAB/Simulink实验平台对“自动控制原理”实验课程的教学做了有益的探索和改革，取得了良好的教学效果，本文对所取得的实验教学经验做出总结和探讨。

一、“自动控制原理”实验的特点及实验教学中存在的问题

1．“自动控制原理”实验的特点

“自动控制原理”实验是“自动控制原理”课程重要的实践教学环节，结合自动控制原理课开设的自动控制原理实验，使学生理论与实践相结合，加深对控制理论的理解和认识，有助于提高学生分析问题和解决问题的能力，拓宽学生的专业知识面，为后续专业学习和工作打下扎实基础。通过实验，要求学生掌握自动控制原理的基本实验，学会独立观察、分析实验现象，记录、测取数据，整理和分析实验结果。

2．传统的实验教学中存在的问题

传统的“自动控制原理”验中的大部分实验都是在模拟机上进行，由于学生一般在实验时对实验的基本理论和内容了解不足，不仅实验过程中存在一定的盲目性，而且常常难以对实验结果做出正确判断，这不仅增加了教师对实验教学的难度，学生分析和解决问题的能力也得不到有效锻炼；另外，“自动控制原理”实验中的部分实验在模拟机上难以开展，如涉及线性系统根轨迹的绘制、Nyquist图和Bode图的绘制等，以前我们用自己开发的软件来完成相关实验，但存在交互性差、功能固定和使用不方等缺点。因此，有必要改革“自动控制原理”实验教学方法，提高实验教学质量。

二、“自动控制原理”实验教学平台的引入与实验改革的实施

1．“自动控制原理”实验教学平台的引入

MATLAB语言是当今国际上科学界尤其是自动控制领域最具影响力、也是最有活力的软件之一。它起源于矩阵运算，并已经发展成一种高集成的计算机语言。它提供了强大的科学运算、灵活的程序设计流程、高质量的图形可视化与界面设计、便捷地与其他程序和语言接口的功能，MATLAB已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具。在国内外高校和研究部门正扮演着重要的角色。MATLAB语言的功能也越来越强大，不断适应新的要求提出新的解决方法。在科学运算、自动控制与科学绘图等领域MATLAB语言具有其他软件无法替代的地位。而Simulink是一种以MATLAB为基础的实现动态系统建模、仿真与分析的软件包，具有以下的主要功能：①可以实现交互式建立系统的动态模型。②良好的交互式仿真环境。③可以与高级编程语言有机连接。④丰富的工具箱集成。

目前，随着计算机科学技术的飞速发展，MATLAB/Simulink已经在自动控制领域得到了广泛的应用，对此，我们尝试在“自动控制原理”实验中引入MATLAB/Simulink实验平台，参照国内外名校该课程的实验教学方式，建立起比较完善的基于MATLAB/Simulink的自动控制原理虚拟仿真实验平台，包括实验教学大纲、实验讲义和考核方式，从而将软件仿真与模拟实验有机地结合起来，这样可以优势互补，通过理论仿真与模拟实验的结果进行对比分析，不仅能让学生发现模拟实验中的问题，而且可以锻炼学生的动手能力，也能让学生掌握MATLAB/Simulink实验平台在控制系统仿真中的运用，增强学生的学习兴趣，并为以后从事相关研究工作打下基础。同时，MATLAB/Simulink软件为全英文界面，可培养学生英语思维能力，把科技英语和自动控制实验教学相结合，使得实验教学效果在专业和外语两方面双赢。

2．“自动控制原理”实验教学改革的实施

传统的“自动控制原理”实验一般采用自动控制实验箱，在实验箱面板上连接相应的典型环节，学生仅根据实验模拟电路图接线，缺少主动性和创造性。随着计算机科学技术的飞速发展，MATLAB/ Simulink已经在自动控制领域得到了广泛的应用，特别是国内外许多大学已经采用当今世界先进的MATLAB/Simulink软件技术用于自动控制理论实验的计算机仿真。我校开设自动控制理论实验条件有限，采用自动控制实验箱很难满足自动控制理论实验课的教学要求，因此，我们从信工2002级开始，建立MATLAB/Simulink实验平台，在“自动控制原理”课程中开设自动控制原理仿真实验。(www.xing528.com)

(1)实验项目安排。在实验教学过程中，按照实验教学大纲的要求，我们自编了基于MATLAB/ Simulink的“自动控制原理”实验讲义，实验内容由简单到复杂。实验内容包括MATLAB基础应用；控制系统时域分析；根轨迹设计；控制系统频域分析；线性系统的校正以及自动控制系统的设计等，涵盖了“自动控制原理”课程的90％以上的内容。

(2)实验教学方法的改革。在实验课程教学方法上，充分利用现代计算机网络技术条件，调动学生学习的积极性和动手能力，进行积极改革。

首先，在教学中采用多媒体授课方式，用独立制作的课件讲授实验原理及其实验方法，尽可能直接用MATLAB及Simulink操作为主要方法，进行分析，让学生增强感性认识。

第二，改变单一验证性实验的按部就班方式，从验证性实验到设计性实验，由浅入深，循序渐进，加强学生解决实际问题的能力。

第三，在教学中激发学生的主动性，注重教与学的互动，尽量只讲基本的操作方法，然后让学生自己发现问题，独立完成实验结果的分析，得到自己的结论。

第四，保证实验课的质量，全面检查实验操作。在传统教学中，基本上是布置作业，学生在下面是否自己独立完成的，老师无法知道，而实验操作课上，每个学生必须独立完成每次实验内容，并且回答老师针对实验细节中的问题的提问，才能算完成实验任务，这样督促学生认真完成每次的实验操作，起到了很好的效果。

(3)实验成绩的评定。成绩的评定，无疑对学生的学习态度有很大影响，对推动素质教育产生不可替代的作用。为了科学评价学生学习“自动控制原理”课程的效果，“自动控制原理”的实验成绩占“自动控制原理”课程总成绩的10％，使得学生必须认真对待每次实验的操作，而实验报告对于理工科学生也是一个必要的基本技能，在学习和操作控制理论的基本实验后，应该能做出分析和总结，调动了学生的实验操作积极性，实验水平也得到了提高。

采用MATLAB/Simulink计算机仿真技术，不但提高了学生学习“自动控制原理”的积极性，还激发了学生的设计意识，有利于理论和实践相结合，使他们的知识学有所用，同时，由于学生只需在计算机上利用MATLAB/Simulink软件仿真自动控制实验，实验费用低，解决了目前我院学生人数多，实验仪器少、经费短缺的矛盾，进一步提高我校该类课程的实验教学水平，更好发挥“自动控制原理”课程的带动作用，为国内农业院校该类课程的实验教学提供经验。这些对我校自动控制理论实验教学的改革与提高有着十分重大的意义。

三、结束语

“自动控制原理”实验课程的教学改革与实践，不仅使学生顺利完成了“自动控制原理”课程的学习，而且对后续课程的学习打下了坚实的基础。通过该实验课程的教学改革与实践，充分发挥学生的创造能力，提高学生分析问题、解决问题的能力，进一步加深对“自动控制原理”课程的认识和理解，同时激发了同学们学好本专业的浓厚兴趣，因此，建立MATLAB/Simulin实验平台的“自动控制原理”实验教学是非常有必要的，在培养高素质创新型人才的过程中起着重要作用。

参考文献

［1］林怀蔚等．电子信息工程专业“自动控制原理”课程教学改革探析［J］．江西农业大学学报(社科版增刊)2008，(12)

［2］曹建云．基于MATLAB教学平台的自动控制理论教学改革探索［J］．南通工学院学报社科版，2004(4)