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控制理论论文进度控制 论文
MATLAB与机械控制理论课程的教学整合研究
摘要：针对机械控制理论课程的特点及存在的问题，文章提出了用MATLAB语言与机械控制理论进行教学整合的思路，着重探讨了MATLAB辅助教学的效果及在教学中的应用，并给出仿真实例。通过示例说明了应用MATLAB辅助教学既能丰富教师的教学手段，激发学生的学习兴趣，又能提高课堂教学质量。
　　关键词：机械控制理论；MATLAB；教学整合
　　机械控制理论[1]是机械类专业学生从基础课到专业课过渡的首开专业基础课，包括控制系统模型建立、系统分析、系统设计的基本理论和相关技术。它涉及的基础理论和知识面较广、概念抽象数学计算量大，并且对先修课程有较高要求，学生的学习难度大，教师讲授起来也有难度，教学过程容易枯燥。因此要求对该课程的教学的内容上和教学方式进行更新。
　　MATLAB语言是集数值计算、符号运算和图形处理等强大功能于一体的科学计算语言，[2-4]可以观察到系统在各种工况下的工作性能，方便地调节参数以获得最优设计，而且易学易用，不要求学生有很好的编程基础，现已成为大学教学和科研中最常见的工具。掌握该工具将大大提高课程教学、解题作业、分析研究的效率。
　　本文针对机械控制理论课程的特点及教学中存在的问题，在理论教学内容上将MATLAB语言应用到专业课程学习之中，帮助学生掌握该课程，并在培养其科研能力方面打下基础。
　　一、机械控制理论课程的特点及在教学中存在的问题
　　1.机械控制理论课程的特点
　　（1）涉及知识面广，理论知识多。首先机械控制理论课程涉及的知识与其控制对象的性质（机械系统、电力系统等）有关，其次控制对象的数学模型和分析其性能时还需要大量数学知识。如：拉氏变换、微分方程、复变函数和矩阵分析等，使基础差的学生学习上有畏难情绪，影响教学效果。
　　（2）新概念和新方法多，如受控对象、测量、反馈、负反馈、对偶性、能控性、能观性等概念易混淆。且同一问题可使用多种方法，如数学模型可以是微分方程、传递函数、结构图、状态空间表达式；分析方法可用时域法、频域法、根轨迹法和复频法；稳定性可用劳斯判据和乃奎斯特判据等。
　　（3）课程实践性很强，但在实验中经常会受到元件参数不稳定的影响和设备条件的限制，使实验值与理论值不相吻合，导致学生产生错误的理解。
　　2.传统教学方法存在的问题
　　（1）大多数工科学生高等数学功底较薄弱，这就要求老师在课堂上花费很多时间和精力去推导数学公式和计算，效率极低。而且从学生反应来看，教学内容抽象、难以理解、概念模糊、思路混沌，影响了学习效果和教学质量。
　　（2）在强调面向实际、面向应用的新教育思想指导下，实用技术型知识的短平快效益倍增，而理论教学难度增大。
　　（3）辅助教学工具多停留在形式层面上，如课件和多媒体等，只是方便教师备课，而对控制课程本身教学的改革很少。
　　二、机械控制理论课程和MATLAB的整合
　　MATLAB和机械控制理论课程的整合，涉及的课程包括MATLAB语言、计算机技术以及机械控制理论课程。将专业课程和MATLAB有机地结合起来，将两学科课程的教与学融为一体，提高教与学的效率，改善教与学的效果，实现传统教学模式的创新，带动大学理工科教学的全面改革。
　　1.改进课堂教学的效果
　　以往教学中，由于控制理论定理公式较多，教师讲授的重点是推导长篇的数学公式，例题讲解和分析很少。从教师角度来说是为了让学生更透彻地理解公式的来龙去脉，而对于学生来说，知识的欠缺使他们跟不上教学进度，大大影响了教学效果。MATLAB软件的使用使教师板书作图的时间减少，为通过实例透彻讲解控制理论提供了可能。
　　2.使理论知识直观化
　　在授课过程中，将基本概念和原理给学生讲通的同时可充分利用计算机的表现能力将抽象问题具体化，控制理论课程中常常需要用各种图形进行分析，而图形的获取又很困难，引入MATLAB后就比较容易了。因此MATLAB的引入不但使学生有了应用条件和兴趣，帮助学生建立正确的专业思想，而且使学生对控制系统的概念及控制性能的分析有了较为感性的认识。
　　例1：已知一个系统开环传递函数，试用Bode图设计超前校正装置，设计指标为：静态速度误差系数Kp=10，相角裕度γ≥40°。
　　根据系统模型，计算得校正装置传递函数，利用MATLAB编制程序绘制校正前和校正后的伯德图，如图1所示。校正后系统相角裕度由 增加到，剪切频率为 。图2绘制出了单位阶跃响应曲线，比较校正前后曲线可以看出，系统校正后的快速性得到提高，超调量有所降低。
　　通过MATLAB设计校正装置，可以使学生对较抽象的理论问题有了感性认识，教师也可以直观地讲授超前校正的性能分析，使学生巩固了课堂上所学的理论知识，加深了对控制理论基本概念、基本原理和基本分析方法的理解和掌握。
　　3.注重对学生能力的培养
　　由于机械控制理论一般在第五学期开设，学生已经学习了高等数学、线形代数、概率统计、微机原理和C语言等课程，既具有一定的理论知识，又熟悉微机操作和编程，因此可以从最初的MATLAB基本操作和验证控制理论公式，逐步过渡到控制模型的建立、计算机辅助设计上来。例如要让学生学会使用SIMULINK工具箱，在SIMULINK环境下进行控制系统仿真，观测时域和频域响应曲线；建立实际控制系统的数学模型，设计其控制参数；掌握MATLAB的图形用户界面（Graphical User Interfaces，GUI）设计，与实际工作接轨。控制系统的分析、设计和仿真等内容循序渐进的学习贯穿了培养学生科学研究能力的内涵。
　　三、结论
　　由于传统教学模式的弊端，很多学生在机械控制理论课程的学习过程中感到吃力。将MATLAB语言与课程整合，能够加深学生对本课程的掌握程度，提高整体教学质量。这种课程整合模式也为其它专业课程的教学改革提供了依据。
　　参考文献：
　　[1]杨振中.控制工程基础[M].北京：北京大学出版社,2007.
　　[2]王正林.MATLAB/Simulink与控制系统仿真[M].北京：电子工业出版社,2008.
　　[3]陈怀琛.MATLAB及在电子信息课程中的应用[M].北京：电子工业出版社,2002.
　　[4]张志涌.精通MATLAB6.5版[M].北京：北京航空航天大学出版社,2003.