《控制工程基础》教学方法的探讨

陈季萍

(淮海工学院机械工程学院，江苏 连云港 222005)

0 引 言

《控制工程基础》是机械专业的一门专业基础课。其课程内容理论性强，概念抽象，又有大量的理论公式和复杂计算，而且在对控制系统进行时域和频域分析时，要借助于各种曲线，如时间响应曲线、Nyquist 图、Bode图等。一般讲课时间只有34学时，这样就存在学时少，内容多的矛盾。例如在讲解系统时间响应分析时，老师是边给学生讲解，边在黑板上画出系统的时间响应曲线，若系统参数变化，又需再重新画图，这样大量的上课时间被画图所占用，且老师画出的图还只是一个示意图，教学效果不太理想，而直接放PPT，学生又不容易掌握分析过程。为了使老师和学生的时间和精力从绘图和繁琐计算上解脱出来，可利用MATLAB完成复杂的计算和绘图，教学过程中可以直观、准确地展示给学生控制系统完整的分析过程及其特性曲线，使学生的注意力放在概念的理解和学习方法的掌握上，不但提高了教学质量，还可加深学生对控制系统的理解[1]。

1 M A TLA B 软件

MATLAB是集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体的可视化软件。它是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，为用户提供了的图形用户界面，模型由模块组成的框图来表示，用户建模只需通过简单的点击和拖动鼠标的动作就能完成，使得对系统进行建模变得非常简单，而且仿真过程是交互的，可以随意地改变仿真参数，立即得到修改后的仿真结果，并且可以对仿真结果进行分析和可视化。因此，老师教学过程中通过简单的鼠标操作就可建立起直观的系统模型并进行仿真,为我们的课堂教学提供了新的有效手段。

2 将M A TLA B 融入控制工程的教学中

2.1 Nyquist图

Nyquist 图是指当ω从0→∞时，G（jω）端点在复平面的轨迹。Nyquist图手工绘制的的一般步骤：1）由G（jω）求出实频特性、虚频特性、幅频特性、相频特性的表达式；2）求出若干个特征点并标注在图上；3）补充必要的几点，根据频率特性的变化趋势，作出Nyquist曲线的大致图形[2]，显然与精确曲线之间存在着误差。学生在学习这一部分时，时常感到Nyquist图太难画，若遇到高阶系统就没办法画出。

2.2 B ode图

Bode 图是由对数幅频特性图和对数相频特性图组成。Bode 图的横坐标表示频率，按对数分度；对数幅频特性图的纵坐标表示G（jω）的幅值，单位是分贝，按线性分度；对数相频特性图的纵坐标表示G（jω）的相位，按线性分度。画系统的Bode 图比画Nyquist 图要容易，这是由于在绘制系统Bode 图时，先绘制各个典型环节的Bode 图，然后通过叠加即可得出系统的Bode 图。在教学过程中，学生对以上部分必须掌握。但是，由于在绘制系统的Bode 图时，对数幅频特性用折线近似表示，对数相频特性只能绘出大致趋势，这对利用Bode 图的判断系统的稳定性、计算幅值裕度（或相位裕度）、进行系统的校正都是无法进行的。利用MATLAB 软件，可绘制系统准确的Bode 图，求出系统的幅值裕度、相位裕度并进行系统稳定性判断与校正。把复杂的计算和绘图交给计算机完成，引导学生把注意力放在对系统稳定性判断、系统校正的理解上[3]。

2.3 实例分析

sys=tf([2，5，1]，[1，2，3])；nyquist(sys)，grid，[re，im，w]= nyquist(sys)，figure(2)，Nichols(sys)，ngrid；机械工程仿真，在命令窗口输入：h1=0.032；h2=tf(4 216，[1/360 000，1/600，1])；h3=tf(0.125，[1/4 489，0.004 12，1，0])；h4=1；h=feedback(h3*h2*h1，h4)；%求系统闭环传递函数hk=h1*h2*h3；%求系统开环传递函数；subplot(2,2,1),bode(h)；%绘制系统闭环Bode 图；subplot(2，2，2)，margin(hk)；%绘制系统开环Bode 图,并求幅值裕度和相位裕度及相应幅值穿越频率和相位穿越频率；subplot(2,2,3),nyquist(h)；%绘制系统的Nyquist曲线。

3 结束语

利用Matlab，可以帮助我们方便地进行系统建模、时域和频域分析以及系统的设计，它解决了传统教学中画图不准确、计算繁琐的弊端，大大提高了教学效率则可以省去很多繁琐的计算。在应用MATLAB 进行控制工程辅助教学过程中，需不断总结和积累经验，只有这样，才能切实改进和提高教学质量，调动学生的学习积极性。

[1] 陈怀琛.MATLAB及其在理工课程中的应用指南[M].西安：西安电子科技大学出版社,2000.

[2] 杨叔子，杨克冲.机械工程控制基础[M].武汉：华中理工大学出版社,2003.

[3] 刘烨,王永骥.基于MATLAB环境的两级计算机实时控制系统[J].测试技术,2002,21(7)：26-29.