“自动控制原理”课程综合教学平台

贾云飞

(中国民航大学 天津市智能信号与图像处理重点实验室， 天津 300300)



“自动控制原理”课程综合教学平台

贾云飞

(中国民航大学 天津市智能信号与图像处理重点实验室， 天津 300300)

摘要：针对“自动控制原理”课程内容比较抽象这一问题，本文通过Matlab GUI程序设计，开发出一体化的教学平台。该平台将各种绘图过程以动画的方式显示给学生，同时也提供了参数化的输入接口，对各种问题下的绘图问题均可解决。经过教学实践检验，本平台可大大降低教学负担，显著提高了学生的理解能力。

关键词：自动控制原理；Matlab GUI；信息化教学；

0引言

“自动控制原理”是电子电气类本科生必修的一门课程，该课程建立在高度的数学抽象之上。一些理工类高校如北京航空航天大学、东南大学等都建立了水平较高的“自动控制原理”教学平台。这些平台大多利用了Matlab软件绘制的一些静态图和分析结果，而Matlab GUI绘图过程没有很好地体现，或者是没有将教学课件与Matlab软件有机结合，影响了教学效果[1-3]。

本文设计了一套面向“自动控制原理”课程的综合化教学平台，平台拥有统一的界面，可独立运行，可以调用教师的教学课件。程序的运行过程将“自动控制原理”课程中的部分抽象概念生动地表现出来。经课堂教学实践，得到较好的反响。

1研究与方法

1.1存在的问题

“自动控制原理”课程包含大量抽象的概念，教师的教学压力较大。同时该课程包含了许多图解方法，如根轨迹法、伯特图和奈氏图等。传统的教学方法是由教师在黑板上画出整个曲线，这种方法的好处是比较生动，但由于绘图过程比较烦琐，同时不同问题中各种参数变化需要绘制许多条曲线，势必占用大量宝贵的课堂时间，影响了教学效率。以往的解决办法就是教师对每类问题只对应地绘制一张图，这又影响了教学效果。

采用幻灯片实施课堂教学同样也有一定问题，教师在幻灯片中固然可以提供大量图片、也能提供各种参数下的根轨迹曲线。但绘制过程并未体现在课堂上，导致部分理解能力较差的学生仍难以解惑。

以上两种教学方式的互动性和实时更新能力有很大提升空间。学生们听到、看到的授课内容都是教师事先准备好的讲义和教案，很多情况下并不能根据学生的要求现场演示各种问题的图解方法，学生很难融入到教学中来，互动性受到较大限制[4]。综上所述，“自动控制原理”教学中急需一种互动性强、信息量大、生动的教学手段。

1.2平台特点

借助各种信息化的教学手段，本文开发了一套综合化的教学平台。该平台具有以下显著特点：

(1)一体化教学平台，教师的PPT、动画展示和各种教辅材料集中于一个窗口中。

(2)可脱离Matlab环境独立运行。避免了在未安装Matlab的计算机无法运行的尴尬。

(3)具有视频播放功能。对于难点，可以借助于播放名师教学视频的手段改善教学效果。

(4)体现动画效果。将各种需要绘制的曲线的绘制过程在课堂上演示。

(5)互动性强。“自动控制原理”教学中往往会遇到的各种参数变化或坐标轴旋转等问题。这些都可以根据学生要求现场绘制。

1.3Matlab GUI编程方法介绍

Matlab自带的GUI开发库可以开发出独立运行的、带界面的软件。本平台采用了Matlab GUI库进行开发。该开发库的特点有：①开发过程简单；大部分开发工作仍是基于Matlab的m语言；②配备丰富的文档；该GUI库的文档内容详实，提供了大量实例，简单易学，上手很快；③提供了丰富的Windows标准控件，直接调用即可[5]。图1为Matlab GUI开发环境的主界面。图上标题中显示的内容为当前文件全路径，接下来是一行菜单栏，再往下是GUI工具栏，再往下左侧是常用的GUI控件，其中最后一行标签为“ActiveX Control”的控件是扩展控件，又称插件，里面包含了本台计算机所有的可供调用的插件，用户要调用它们必须先注册它们的项目ID(Program ID)以及复制对应的动态链接库到当前文件夹。右边方格区域为GUI布局区，用来放置用户所需的各类控件。整个开发过程采用“所见即所得”的模式，简化了开发人员的开发难度和工作量。

图1　Matlab GUI开发环境

2平台功能

2.1软件架构

本平台针对的教材是我校采用的《自动控制原理》(机械工业出版社)。覆盖了前五章的主要知识点。主要模块包括：主界面模块、绘图模块、课件显示模块和视频播放模块等四个模块。如图2所示：

图2　软件架构

(1)主界面模块主要负责整个窗口的显示与人机交互功能。主界面模块为其它模块提供了一个“容器”，包含了所有菜单、按钮和绘图显示的结果。主界面模块的设计主要考虑了直观性、易于操作性和显示效果等因素。

(2)绘图模块将用户发出的绘图命令以动画的方式显示在界面上。以根轨迹图的绘制为例，不能简单地以Matlab提供的rlocus()函数直接绘制，因为这样学生只能看到最终结果，而无法看到绘制的动态过程。绘制过程需要靠一个循环配合root()求根的函数完成。绘图模块的另一设计要点是绘图的速度，即曲线从起点至终点的显示速度。本平台设计的目标是既让学生能感受到曲线从起点至终点的绘制过程，又能充分节约宝贵的课堂时间。最终代码示意如下，其中K为参数变量，F和E分别为特征方程的分母系数和分子系数。

K=0;

while K<200

g=[F [E]*K];

ps=roots(g);

plot(real(ps),imag(ps),‘rx’,‘markersize’,6);

title(‘?根轨迹’);

grid on;

pause(0.001);

K=K+0.1;

hold on;

end

(3)课件显示模块是本平台的一个特色模块。用于在统一的界面上切换教学课件与绘图界面。这种设计的目的是在教学过程中尽量少转移学生的注意力。

(4)视频播放模块的设计目的是充分利用互联网上的各种优秀教学资源，例如各种机械控制原理视频、精品课程的教学视频。

2.2平台的应用效果

最终设计完成的程序主界面如图3所示：

图3　平台主界面

图3的左侧为树形控件，点击各节点后可在课程教学各章节之间切换。右侧是绘制参数输入及结果显示区，上部显示了本章节包含的需要绘制的图形。以第四章的根轨迹绘制为例进行说明:在图3的左侧树型控件中点击“第四章 根轨迹分析法”，右侧绘图显示区即显示出如图3所示的界面。点击上部的tab控件“根轨迹一”，在文本框中输入根轨迹方程的分子项与分母项的系数，点击“绘图”按钮，右侧坐标轴中即可显示出根轨迹的绘制动画，过程生动形象。

3结语

本文针对“自动控制原理”课程教学中遇到的困难，提出了一体化的教学平台，并从需求分析、架构设计及教学实践三个方面论述这一平台的设计、实现和应用过程。经过一学期的课堂教学实践，学生对本平台显现出极大的热情，最为深切感受是根轨迹法、奈氏图、波特图等图解方法不再难学。此外，课堂气氛也随之活跃，互动性明显提高，学生参与教学过程的主动性明显提升，有利于教师掌握学生的理解程度和学习中出现的困惑。

参考文献:

[1]梅雪, 罗益民, 夏美娟. 基于MATLAB的“自动控制原理”课程建设[J], 南京：电气电子教学学报, 2005(27).

[2]童峰, 李霞. Matlab在“信号与系统”课程教学中的应用[J], 南京: 电气电子教学学报, 2007(29).

[3]孙静, 周元钧, 张磊. 基于Matlab的电力系统仿真平台[J], 南京：电气电子教学学报, 2009(31).

[4]张又亮, 夏柯, 康晓明, 笪凌云, 甘泉竑波, 徐颖秦.基于 MATLAB/GUI 的自动控制原理虚拟实验平台[J]，北京：科技创新导报， 2011(35).

[5]陈垚光，毛涛涛，王正林，王玲．精通MatlabGui设计[M], 北京：电子工业出版社. 2013.

A Comprehensive Teaching Platform for Automatic Control Principle Course

JIA Yun-fei

(TianjinKeyLaboratoryforAdvancedSignalProcessing,CivilAviationUniversityofChina,Tianjin300300,China)

Abstract:Automatic Control Principle is a very abstract course. this paper proposes a comprehensive teaching platform which is developed based on Matlab GUI library. This platform has several features, including the drawing process of several types of curves. In addition, it provides user-specified interface, which will draw corresponding curves. After one-term of teaching test, the results show that the teacher′s teaching stress will be greatly reduced, and the students feel the course is easy to understand.

Keywords:automatic control principle; Matlab GUI; informatization teaching

文献标识码：A

文章编号：1008-0686(2016)01-0090-03

中图分类号：G642; TP13

作者简介：贾云飞(1979.9-)，男，博士，讲师，主要从事软件测试、云计算与大数据分析教学和研究，E-mail：yfjia@cauc.edu.cn

收稿日期:2015-04-27;修回日期:2015-07- 04基金项目：中国民航大学科研启动基金项目(2011QD05S)