金世佳

1 融合的必要性

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，控制理論在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域得到了較廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。為適應(yīng)國家發(fā)展的人才培養(yǎng)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(guān)知識作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課開設(shè)。根據(jù)作者本校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，將控制理論以《控制工程基礎(chǔ)》課程開設(shè)。該課程的主要任務(wù)是通過對相關(guān)控制理論的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生能夠?qū)刂葡到y(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的能力、工程實(shí)踐能力及創(chuàng)新能力。課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、概念抽象、實(shí)踐性及工程性強(qiáng)等，具有一定的深度和廣度。對學(xué)生的基礎(chǔ)知識要求較高，內(nèi)容涉及面廣，有高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、電路、電機(jī)與拖動(dòng)等相關(guān)知識，而且還要求學(xué)生有很強(qiáng)的計(jì)算能力。將相應(yīng)理論在MATLAB中運(yùn)行及虛擬仿真，可以較直觀的看到運(yùn)行結(jié)果，將抽象的知識變?yōu)榫唧w，讓學(xué)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(shí)驗(yàn)室，其最初想法是提供一個(gè)方便的矩陣運(yùn)算平臺，后來發(fā)展成為通用科技計(jì)算、圖形交互系統(tǒng)和程序語言，它具有良好的可擴(kuò)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(fā)了各種工具箱，工具箱涉及的領(lǐng)域有自動(dòng)控制、通信、人工智能、信號處理、圖像處理、財(cái)政金融、統(tǒng)計(jì)分析等[1]。MATLAB可以解決控制系統(tǒng)中復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算與處理，控制理論中涉及的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、模型之間的轉(zhuǎn)換、控制系統(tǒng)的分析與校正等教學(xué)內(nèi)容都可在 MATLAB中實(shí)現(xiàn)。在課堂教學(xué)中，將MATLAB融入到例題與實(shí)驗(yàn)講解中，可以加深學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握，有助于學(xué)生利用計(jì)算機(jī)解決問題的能力。《控制工程基礎(chǔ)》的主要授課內(nèi)容包括時(shí)域法、根軌跡法和頻域法，可以通過響應(yīng)曲線、根軌跡圖、奈氏及伯德圖對系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。首先學(xué)習(xí)相關(guān)的基礎(chǔ)理論，然后利用 MATLAB軟件自動(dòng)完成所需的各種圖形。但是《控制工程基礎(chǔ)》課程與《計(jì)算機(jī)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(xué)生自己手動(dòng)計(jì)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(jìn)行仿真，得到相應(yīng)結(jié)果。通過MATLAB得到的結(jié)果與手動(dòng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證計(jì)算是否正確，通過實(shí)踐可以加深學(xué)生對知識點(diǎn)的把握，激發(fā)大部分學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高本門課程的教學(xué)質(zhì)量。下面通過時(shí)域、復(fù)域、頻域三個(gè)方面的例題，闡述MATLAB在該課程中的融合過程及方式。

2.1 時(shí)間響應(yīng)[2]

MATLAB運(yùn)行程序及仿真結(jié)果如下：

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

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

圖2 根軌跡

2.2 復(fù)域

MATLAB運(yùn)行程序及仿真結(jié)果如下:

2.3 頻域

MATLAB運(yùn)行程序及仿真結(jié)果如下:

圖3 Bode圖

3 結(jié) 論

在教學(xué)過程中，將MATLAB軟件與《控制工程基礎(chǔ)》課程融合，克服了傳統(tǒng)教學(xué)中高階或復(fù)雜系統(tǒng)求解困難，不易繪圖、繪圖結(jié)果不準(zhǔn)確，教學(xué)內(nèi)容難以擴(kuò)展等問題；任何一個(gè)系統(tǒng)通過MATLAB軟件都可以對時(shí)域、復(fù)域、頻域的性能進(jìn)行分析，運(yùn)行結(jié)果準(zhǔn)確、直觀，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了學(xué)生利用計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件解決問題的能力。但在教學(xué)過程中，由于教學(xué)條件的限制，上課時(shí)需要學(xué)生自己帶電腦，在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下裝入MATLAB軟件，基本理論及習(xí)題介紹完畢后，留有20分鐘時(shí)間，指導(dǎo)學(xué)生在MATLAB中運(yùn)行已算過的例題，驗(yàn)證其正確性。要想真正的將MATLAB與該課程融合，只有習(xí)題的引入還是不夠的，還要努力將教學(xué)課件與MATLAB鏈接起來[3]，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)計(jì)算、繪圖及仿真，彌補(bǔ)Power Point不能實(shí)時(shí)計(jì)算的缺陷。