《控制工程基礎》課程與MATLAB有效融合方法的研究

金世佳

1 融合的必要性

隨著信息技術的發展，控制理論在國民經濟的各個領域得到了較廣泛的應用和發展。為適應國家發展的人才培養的需要，目前我國大部分工科本科院校，都將控制理論的相關知識作為一門重要的專業基礎課開設。根據作者本校機械設計制造及其自動化專業的培養目標，將控制理論以《控制工程基礎》課程開設。該課程的主要任務是通過對相關控制理論的學習，培養學生能夠對控制系統進行分析和設計的能力、工程實踐能力及創新能力。課程的特點是理論性強、概念抽象、實踐性及工程性強等，具有一定的深度和廣度。對學生的基礎知識要求較高，內容涉及面廣，有高等數學、線性代數、電路、電機與拖動等相關知識，而且還要求學生有很強的計算能力。將相應理論在MATLAB中運行及虛擬仿真，可以較直觀的看到運行結果，將抽象的知識變為具體，讓學生更容易理解，更容易掌握。

2 MATLAB與課程的融合

MATLAB原義為矩陣實驗室，其最初想法是提供一個方便的矩陣運算平臺，后來發展成為通用科技計算、圖形交互系統和程序語言，它具有良好的可擴展性及開放性，吸引眾多科技工作者，先后在MATLAB的平臺上開發了各種工具箱，工具箱涉及的領域有自動控制、通信、人工智能、信號處理、圖像處理、財政金融、統計分析等[1]。MATLAB可以解決控制系統中復雜的數學運算與處理，控制理論中涉及的系統數學模型、模型之間的轉換、控制系統的分析與校正等教學內容都可在 MATLAB中實現。在課堂教學中，將MATLAB融入到例題與實驗講解中，可以加深學生對知識點的掌握，有助于學生利用計算機解決問題的能力?！犊刂乒こ袒A》的主要授課內容包括時域法、根軌跡法和頻域法，可以通過響應曲線、根軌跡圖、奈氏及伯德圖對系統的性能進行分析。首先學習相關的基礎理論，然后利用 MATLAB軟件自動完成所需的各種圖形。但是《控制工程基礎》課程與《計算機仿真》課程是兩門不同的課程，所以，在課堂中引入MATLAB必須適度。引入典型例題，先讓學生自己手動計算和繪制各種曲線，掌握基本原理，能夠完成該課程考研或者考試的要求；然后利用MATLAB通過編程或Simulink進行仿真，得到相應結果。通過MATLAB得到的結果與手動計算結果進行比較，驗證計算是否正確，通過實踐可以加深學生對知識點的把握，激發大部分學生學習的興趣，提高本門課程的教學質量。下面通過時域、復域、頻域三個方面的例題，闡述MATLAB在該課程中的融合過程及方式。

2.1 時間響應[2]

MATLAB運行程序及仿真結果如下：

(a)單位脈沖響應 (b)單位階躍響應 (c) 單位速度響應 (d) 單位加速度響應圖1 響應曲線

由圖1可見，不但可以看到響應的變化情況，而且任何一點還可以精確顯示相應的時刻及幅值，如圖(a)所示。

圖2 根軌跡

2.2 復域

MATLAB運行程序及仿真結果如下:

2.3 頻域

MATLAB運行程序及仿真結果如下:

圖3 Bode圖

3 結 論

在教學過程中，將MATLAB軟件與《控制工程基礎》課程融合，克服了傳統教學中高階或復雜系統求解困難，不易繪圖、繪圖結果不準確，教學內容難以擴展等問題；任何一個系統通過MATLAB軟件都可以對時域、復域、頻域的性能進行分析，運行結果準確、直觀，充分調動了學生的學習熱情，提高了學生利用計算機相關軟件解決問題的能力。但在教學過程中，由于教學條件的限制，上課時需要學生自己帶電腦，在指導教師的指導下裝入MATLAB軟件，基本理論及習題介紹完畢后，留有20分鐘時間，指導學生在MATLAB中運行已算過的例題，驗證其正確性。要想真正的將MATLAB與該課程融合，只有習題的引入還是不夠的，還要努力將教學課件與MATLAB鏈接起來[3]，實現動態計算、繪圖及仿真，彌補Power Point不能實時計算的缺陷。