MATLAB在電類課程教學(xué)中的應(yīng)用與研究

梁承權(quán) 左仁合 李光平 朱浩亮

[摘 要] 通過電類課程的教學(xué)過程中MATLAB項目的實際應(yīng)用，將各個零散知識點有機結(jié)合起來，靈活直觀講授。利用現(xiàn)代計算機輔助教學(xué)手段不僅能將純理論的課程盤活，使課堂氣氛變得更加活躍，而且促進了學(xué)生對專業(yè)學(xué)習(xí)的熱愛，最重要的是提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力、自主學(xué)習(xí)能力。

[關(guān) 鍵 詞] 電類課程；MATLAB項目；仿真分析

[中圖分類號] G642 [文獻標(biāo)志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）19-0074-02

電路基礎(chǔ)、自動控制原理、通信系統(tǒng)等課程是電類專業(yè)的重要專業(yè)技術(shù)課程，在課程結(jié)構(gòu)體系中起著非常重要的作用。這幾門課程抽象、理論性很強且實用性強，涉及的知識面也很廣泛，學(xué)生卻難以掌握并融會貫通。按照傳統(tǒng)的教學(xué)方法，在講授該課程時都依照課本各個章節(jié)知識點逐一講解，配套的實驗都是以驗證性為主，設(shè)計性為輔。由于課程的復(fù)雜性、抽象性，學(xué)生得不到真正的理解，因此只能含糊地理解概念，不理解其真正的物理含義，導(dǎo)致最終教學(xué)效果非常不理想。

計算機輔助教學(xué)的教學(xué)手段新穎，通過圖像、動畫、視頻、音頻、文本等多種媒體形式產(chǎn)生豐富多彩的人機交互方式?，F(xiàn)代計算機教學(xué)輔助手段的應(yīng)用，可將抽象的含義迅速地化為簡明扼要的圖表曲線，將其物理特性與規(guī)律清晰明了地展示，且對基本原理或復(fù)雜的系統(tǒng)很方便地利用輔助工具進行反復(fù)的試驗探索。學(xué)生利用軟件仿真一次，就會加深對知識點的理解和鞏固。利用計算機輔助手段進行教學(xué)，既減少了硬件設(shè)施的損耗，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率又得到了提高。由此，電類課程引入仿真實驗演示到課堂是一個非常有效的教學(xué)方法，而MathWorks的MATLAB軟件正好為教學(xué)提供了這樣的一個平臺。

一、MATLAB的介紹

MATLAB早在二十世紀七十年代被開發(fā)與應(yīng)用，后來經(jīng)Math-Works公司大力推廣，目前在工程控制、信號分析與處理、圖像處理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。它已發(fā)展成為適合眾多學(xué)科、多種工作平臺、功能強大的大型軟件。在美國、德國、英國等國家的高校，通信系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、工程數(shù)學(xué)、電路分析等重要課程，MATLAB已成為基本的教學(xué)輔助工具。大部分的設(shè)計研究機構(gòu)和公司開發(fā)部門，MATLAB被廣泛地應(yīng)用于研究和解決各種具體問題。在我國，MATLAB已日益受到重視，短時間內(nèi)就將盛行起來，因為無論哪個學(xué)科或工程領(lǐng)域都可以從MATLAB中找到合適的功能。

MATLAB提供了強大的矩陣運算、數(shù)據(jù)處理能力，同時為各種專業(yè)提供模塊庫，如數(shù)字信號處理模塊集和通信模塊集。在電類課程中引入MATLAB，一是方便學(xué)生形象地掌握深奧的理論知識，二是學(xué)會MATLAB的基本應(yīng)用技巧，為學(xué)生就業(yè)提供更有利的條件。

二、MATLAB項目在電類課程中的應(yīng)用舉例

（一）MATLAB在電路基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用

電路基礎(chǔ)是高校電氣電子類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程理論性強，電路方程公式多，學(xué)生常為復(fù)雜的計算和電路模型分析感到頭疼，如將MATLAB引入課堂展開教學(xué)，不僅可以直觀教學(xué)，掃清學(xué)生學(xué)習(xí)的障礙，還有助于學(xué)生更好地掌握分析方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開闊學(xué)生視野，從而有效地提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

以二階動態(tài)電路分析為例，由于MATLAB有著強大的微分運算以及作圖能力，只需學(xué)生建立正確的模型，便可從復(fù)雜繁瑣的數(shù)學(xué)計算中解脫出來。

二階電路如圖1所示，已知電壓源us=10v，R1=4Ω，R2=0.2Ω，C1時開關(guān)閉合，試繪出電容電壓Uc的波形。

由電路理論可得出電路的狀態(tài)方程表示如下：

通過MATLAB編寫M文件，給電路元件賦值，描述方程，即可調(diào)用函數(shù)做出得出所要求波形如圖2所示，省去了中間復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，達到簡單計算、直觀看結(jié)果的效果。

（二）MATLAB在自動控制課程中的應(yīng)用

PID控制器在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用非常廣泛，是在自動控制課程中的重要內(nèi)容。PID控制模型如下圖3所示。

首先根據(jù)給定值rin（t）與實際輸出值yout（t）構(gòu)成控制偏差：error（t）=rin（t）-yout（t）。分析PID控制規(guī)律（kp比例系數(shù)；TI積分時間常數(shù)；TD微分時間常數(shù)）：

接著編寫S函數(shù)，分析比例、微分、積分控制對系統(tǒng)的影響。比例、微分、積分對系統(tǒng)的影響曲線圖如圖4所示。

學(xué)生按照不同的數(shù)值分析結(jié)果，得到最終的結(jié)論：（1）比例系數(shù)增大，閉環(huán)系統(tǒng)的靈敏度增加，穩(wěn)態(tài)誤差減小，系統(tǒng)振蕩增強；（2）可以提高系統(tǒng)的型別，使系統(tǒng)由有差變?yōu)闊o差；積分作用太強會導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定；（3）微分有預(yù)報作用，會使系統(tǒng)的超調(diào)量減小，響應(yīng)時間變快。

從不同的仿真測試中，學(xué)生自主探索，培養(yǎng)了自主探索、學(xué)習(xí)、研究的學(xué)習(xí)能力。

（三）MATLAB在通信系統(tǒng)課程中的應(yīng)用

MATLAB提供了通帶模擬調(diào)制解調(diào)模型、基帶模擬調(diào)制解調(diào)模型、通帶數(shù)字調(diào)制解調(diào)模型、基帶數(shù)字調(diào)制解調(diào)模型等工具，為模擬信號調(diào)制解調(diào)、數(shù)字信號調(diào)制解調(diào)提供了很方便的工具。在實際教學(xué)中可快速建立直觀模型，令學(xué)生更容易理解深奧的理論知識。

以頻率調(diào)制解調(diào)為例，在教學(xué)過程中首先利用MATLAB的調(diào)頻通帶模塊、調(diào)頻解調(diào)模型、方差計算模塊等工具建立仿真測試模型，其模型如下圖5所示。接著按照實際電路設(shè)置各個模塊參數(shù)，執(zhí)行仿真，利用虛擬示波器觀察每個階段的仿真波形，各個模塊輸出的波形如圖6所示（圖中四個波形分別是被調(diào)制信號、調(diào)頻后輸出信號、解調(diào)后輸出信號、信道輸出信號）。最后根據(jù)波形分析實驗結(jié)果與理論的差別，進而對現(xiàn)有系統(tǒng)進行改進創(chuàng)新。

三、教學(xué)效果

在電類課程中利用MATLAB作為輔助教學(xué)工具，學(xué)生通過使用MATLAB工具進行分析模型、建立模型到最后的仿真測試，將純理論的知識圖形化界面展示，將實驗實踐過程直觀化、形象化，既幫助學(xué)生掌握理解學(xué)習(xí)知識，又利于學(xué)生在課外進行創(chuàng)新實踐。對理論性特強的課程，能結(jié)合實際工程問題改進模型參數(shù)，從而得到更為理想的效果。學(xué)生在學(xué)習(xí)中得到樂趣，提高了學(xué)生的動手能力、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

MATLAB對電類電路基礎(chǔ)、自動控制原理、通信系統(tǒng)等課程進行建立仿真測試系統(tǒng)，教學(xué)效果良好。由于MATLAB強大的計算能力和仿真能力，已被諸多電類課程作為教學(xué)輔助基本工具。

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