《控制工程基础》课程与MATLAB有效融合方法的研究

金世佳

1 融合的必要性

随着信息技术的发展，控制理论在国民经济的各个领域得到了较广泛的应用和发展。为适应国家发展的人才培养的需要，目前我国大部分工科本科院校，都将控制理论的相关知识作为一门重要的专业基础课开设。根据作者本校机械设计制造及其自动化专业的培养目标，将控制理论以《控制工程基础》课程开设。该课程的主要任务是通过对相关控制理论的学习，培养学生能够对控制系统进行分析和设计的能力、工程实践能力及创新能力。课程的特点是理论性强、概念抽象、实践性及工程性强等，具有一定的深度和广度。对学生的基础知识要求较高，内容涉及面广，有高等数学、线性代数、电路、电机与拖动等相关知识，而且还要求学生有很强的计算能力。将相应理论在MATLAB中运行及虚拟仿真，可以较直观的看到运行结果，将抽象的知识变为具体，让学生更容易理解，更容易掌握。

2 MATLAB与课程的融合

MATLAB原义为矩阵实验室，其最初想法是提供一个方便的矩阵运算平台，后来发展成为通用科技计算、图形交互系统和程序语言，它具有良好的可扩展性及开放性，吸引众多科技工作者，先后在MATLAB的平台上开发了各种工具箱，工具箱涉及的领域有自动控制、通信、人工智能、信号处理、图像处理、财政金融、统计分析等[1]。MATLAB可以解决控制系统中复杂的数学运算与处理，控制理论中涉及的系统数学模型、模型之间的转换、控制系统的分析与校正等教学内容都可在 MATLAB中实现。在课堂教学中，将MATLAB融入到例题与实验讲解中，可以加深学生对知识点的掌握，有助于学生利用计算机解决问题的能力。《控制工程基础》的主要授课内容包括时域法、根轨迹法和频域法，可以通过响应曲线、根轨迹图、奈氏及伯德图对系统的性能进行分析。首先学习相关的基础理论，然后利用 MATLAB软件自动完成所需的各种图形。但是《控制工程基础》课程与《计算机仿真》课程是两门不同的课程，所以，在课堂中引入MATLAB必须适度。引入典型例题，先让学生自己手动计算和绘制各种曲线，掌握基本原理，能够完成该课程考研或者考试的要求；然后利用MATLAB通过编程或Simulink进行仿真，得到相应结果。通过MATLAB得到的结果与手动计算结果进行比较，验证计算是否正确，通过实践可以加深学生对知识点的把握，激发大部分学生学习的兴趣，提高本门课程的教学质量。下面通过时域、复域、频域三个方面的例题，阐述MATLAB在该课程中的融合过程及方式。

2.1 时间响应[2]

MATLAB运行程序及仿真结果如下：

(a)单位脉冲响应 (b)单位阶跃响应 (c) 单位速度响应 (d) 单位加速度响应图1 响应曲线

由图1可见，不但可以看到响应的变化情况，而且任何一点还可以精确显示相应的时刻及幅值，如图(a)所示。

图2 根轨迹

2.2 复域

MATLAB运行程序及仿真结果如下:

2.3 频域

MATLAB运行程序及仿真结果如下:

图3 Bode图

3 结 论

在教学过程中，将MATLAB软件与《控制工程基础》课程融合，克服了传统教学中高阶或复杂系统求解困难，不易绘图、绘图结果不准确，教学内容难以扩展等问题；任何一个系统通过MATLAB软件都可以对时域、复域、频域的性能进行分析，运行结果准确、直观，充分调动了学生的学习热情，提高了学生利用计算机相关软件解决问题的能力。但在教学过程中，由于教学条件的限制，上课时需要学生自己带电脑，在指导教师的指导下装入MATLAB软件，基本理论及习题介绍完毕后，留有20分钟时间，指导学生在MATLAB中运行已算过的例题，验证其正确性。要想真正的将MATLAB与该课程融合，只有习题的引入还是不够的，还要努力将教学课件与MATLAB链接起来[3]，实现动态计算、绘图及仿真，弥补Power Point不能实时计算的缺陷。