摘 要: 《控制系统仿真》课程是自动化专业及相关电类专业课程体系中一门重要的专业课。为了提高教学质量,本文作者在该课程的教学改革实践中,对其教学内容、教学方式与实践环节进行了改革与实践,培养学生的创新意识、创新能力,发散思维、分析问题的方法和解决问题的能力等,取得了较好的效果。
关键词: 《控制系统仿真》 课程内容体系与教学方式改革 实践教学环节改革
1.引言
仿真技术已经是当下工程师们必须掌握的基本技能之一。《控制系统仿真》是一门讲授仿真的基本原理、算法和计算机实现的课程,是工业电气自动化、自动控制、过程控制和机电工程等专业课程体系中一门重要的专业课,是沟通现实与理论必不可少的桥梁。该课程作为一门联系自动控制理论/系统/设计、课程设计和毕业设计等教学环节的仿真基础类课程,以《计算机基础》、《Matlab语言及应用》、《自动控制原理》等课程为前期先修课程,也作为同期或后续课程如《电力拖动与自控系统》、《运动控制系统》、《计算机控制技术》、《现代控制理论》的工具课程,其目的是指导学生掌握解决控制系统分析与设计的一种有效的计算机辅助设计手段,提高学生的实践能力和综合解决问题的能力[1]、[2]。为了在有限的学时内使学生尽快掌握该知识,并且在理论分析与实践仿真两个方面的能力都有所提高。我们对其课程内容体系与教学方式进行了一些探索研究与实践。
2.课程内容体系与教学方式改革
该课程的具体内容包括仿真的基本方法与原理,建模,数值计算,优化问题求解方法,Matlab与Simulink基础。在该课程的授课过程中对原理性的内容逐步进行分析讲解,并且利用仿真工具演示加深学生对知识的理解。
2.1课程重点内容归纳
授课时的重点内容归结如下:该课程开设的必要性、意义,以及其基本概念→控制系统建模的基本方式方法→数值计算方法及仿真计算→Matlab基本使用技术及程序设计和Simulink基础→控制系统设计仿真及其优化→工程举例等。该课程实际安排课时为32课时,其中理论知识的讲授课时安排为24学时,上机实践课时安排为8学时。围绕该重点内容通过对相关知识的讲解与实践,使学生初步具备建模、设计、仿真这一过程。
2.2理论知识授课部分的改革
理论知识讲授的部分主要讲解该课程的背景、应用及其发展趋势,控制系统的实验方法,控制系统建模的基本方法及其实例,常微分方程和差分方程基本的数值积分求解方法,Matlab与Simulink基础及其作为工具在控制系统仿真过程中的使用和控制系统仿真的具体实现。
该部分知识主要使学生对控制系统仿真这门课程有一定的感性认识,配合实践课时使其能够对控制系统的建模、设计、仿真这一系列过程有一定的理性认识。该部分知识主要以仿真方法及其如何使用仿真工具来实现为重点难点进行详细讲解。
其中,仿真工具部分的课时安排占了一定的比重,为实践教学环节作了必要的铺垫[3]。主要是讲述Matlab的基本运行环境,及其Simulink模块的基本操作,使学生具备实现控制系统仿真的能力。该部分教学内容安排如下:Matlab的基本操作与使用、矩阵运算与操作、二维三维图形绘制、控制工具箱等;基于Matlab的各种模型的实现、转换、串并联及反馈的构建;利用Matlab编程方式实现多项式的处理,便于控制系统模型的建立和描述,实现基于数值积分方法的微分方程求解仿真,实现数据分析等功能;还有实现基于离散相似法的仿真,以及实现基于Simulink的控制系统的模型的构造,数值仿真和系统分析,等等。
通过对该课程内容的归纳,围绕重点难点知识合理安排各部分的授课课时,理论联系实际,列举实际案例帮助学生更好地理解理论知识和掌握仿真工具的使用。
2.3教学方式改革
该课程的内容既涉及仿真算法等一些理论知识,又涉及仿真工具,知识面较广。
为了能够得到较好的教学效果,在教学方式方面该课程授课采用了多媒体的方式,加强互动环节,一面讲授理论知识,一面使用仿真工具演示,并且说明理论知识的使用方法和适用场合,将理论和实际相结合,将实际案例融入到课堂教学当中。并且详细介绍仿真的工具的使用,一步步演示,使每个学生都能够在课堂上对仿真工具的使用有一个初步的认识。
作业的形式都以实验报告的形式给出,让每个学生都能通过实践教学过程巩固自己所学的知识,验证自己的算法。
考试的形式以上机操作结合理论知识考试得出,既加深了学生对理论知识的理解和掌握,又加强了学生的动手能力。
3.实践教学环节改革
该课程的实践教学环节安排的课时数为8学时,根据教学过程中发现的问题,可以灵活地进行调整。认识类的实践课时为2个或者4个,如:Simulink工具箱的使用及操作、PID工具箱的应用;验证及工程仿真类的实践课时为4个或者6个。如:基于二容水箱系统的算法验证、平面倒立摆的建模与仿真,直流电机双闭环调速系统的参数仿真优化,等等。
4.结语
我们对教学内容及其方式的改革,使学生在课堂上与老师有很好的交流,增强了互动,通过案例演示激发了学生的兴趣,加深了学生对授课内容的理解。大多数学生都能够独立自主的完成实验和大作业。实验和作业的范围涉及运动控制和过程控制等自动化专业相关的课程,收到了良好的教学效果。
参考文献:
[1]张晓华.控制系统数字仿真与CAD[M].北京:机械工业出版社,2005.
[2]薛定宇.控制系统计算机辅助设计——Matlab语言与应用(第2版)[M].北京:清华大学出版社,2006.
[3]楼顺天,于卫.基于Matlab的系统分析于设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,2000.
