工程认证和新工科背景下《信号与系统》课程工程能力的培养

2024-04-10于宗艳郭殿林崔崇信王丽唐巍

中国设备工程 2024年7期

于宗艳，郭殿林，崔崇信，王丽，唐巍

（黑龙江科技大学，黑龙江哈尔滨 150022）

1 前言

2016年6月，我国正式加入国际工程联盟。(International Engineering Alliance)《华盛顿协议》组织，标志着我国工程教育认证体系实现国际实质等效。工程教育专业认证遵循以学生为中心、以能力产出为导向、持续改进的理念，强调培养学生解决复杂工程问题的能力。这体现在工程教育认证标准中12个毕业要求中，有8个要求都提到了复杂工程问题这一关键词。2017年以来，以国际借鉴为基础，逐渐开启具有中国特色的新工科(Emerging Engineering Education，3E)建设，进而凝聚发展成为我国高等工程教育的改革热点和发展焦点。基于对创新经济、新科技革命和新产业发展需求的观察、调研、分析和研究，提出了新工业革命时代和创新经济发展需要的基本工程素质。其中一条就是具有较强的自然科学、数学和工程科学基础、多学科、跨学科的工程和技术知识；设计、建造、创造和创新、技术和产品研发、解决复杂的工程问题的能力。可见，具备分析和解决复杂工程问题的能力是工程认证和新工科建设对工科学生提出的基本要求和基本工程素质。

《信号与系统》是自动化专业重要的工程基础类核心课，它的先修课程为数学类课程，后续课程为专业类课程。作为一门从理论到应用的过渡课程，在教学过程中，注重培养学生使用数学、物理等理论知识分析和解决复杂工程问题的能力，对于工程认证的实施、新工科建设以及自动化专业人才的培养都具有重要的意义。

2 复杂工程问题的甄选

电机由于异常振动问题会给用户带来一定的经济损失，因此，治理电机异常振动问题是工程中的复杂工程问题之一。而准确判定振动源是解决电机异常振动的关键。目前，工程中常用的确定振动源的方法是频谱分析法，即通过振动传感器采集电机振动信号并进行处理，然后绘制其频谱图，通过频谱分析进一步判断振动源。所以《信号与系统》课程中信号频谱图的绘制及分析是解决电机异常振动问题的基础和关键。

另外，工程中的突破带宽上限的控制、控制系统的校正、控制系统的相对稳定性和鲁棒性分析等问题均属于控制工程中的复杂工程问题。而解决这些复杂工程问题的基础和关键便是系统的频率响应特性。频率响应是描述系统特性的一个工具，具体来说，它从幅度和相位两个方面对系统的特性进行描述。

3 案例设计和分析

通过前面的分析可见，信号的频谱图和系统的频率响应特性是解决复杂工程问题的基础，在《信号与系统》课程教学过程中，通过设计综合案例，借助Matlab仿真工具对案例进行分析，帮助学生建立分析和解决复杂工程问题的思维，进而实现培养学生分析和解决复杂工程问题的能力。

3.1 案例的设计

RLC电路如图1所示，借助Matlab绘制系统的频率响应特性、系统阶跃响应的时域波形及频谱图。

图1 RLC电路

3.2 案例的分析

在SIMULINK中使用电阻、电容、电感元件、阶跃信号源、电压测量模块及示波器搭建的RLC仿真电路如图2所示。

图2 RLC仿真电路

通过编写m文件，并使用Bode函数得到RLC电路的的频率响应特性如图3所示。

图3 RLC电路的频率响应特性

在SIMULINK中分别使用Scope和Spectrum Analyzer工具得到系统阶跃响应的时域波形及频谱图分别如图4和图5所示。

图4 RLC电路的阶跃响应时域波形

图5 RLC电路的阶跃响应频谱图

由频率响应特性Bode图可以看出，系统在105rad/s频率处产生谐振现象；从输出信号的时域波形图可以看出，阶跃响应出现了对应的振荡；从输出信号的频谱图上也可以看出，在16kHz左右幅度频谱出现了极大值点。通过对该案例的分析和解决，能够让学生对系统的频率响应特性、信号的频谱图、谐振现象等概念有深入的理解，并能够对信号与系统之间的关系，即信号通过系统产生的响应、系统对信号的作用以及信号的时域特性和频域特性的对应关系有更加直观和深入的体会。