工程認(rèn)證和新工科背景下《信號(hào)與系統(tǒng)》課程工程能力的培養(yǎng)

于宗艷，郭殿林，崔崇信，王麗，唐巍

（黑龍江科技大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150022）

1 前言

2016年6月，我國(guó)正式加入國(guó)際工程聯(lián)盟。(International Engineering Alliance)《華盛頓協(xié)議》組織，標(biāo)志著我國(guó)工程教育認(rèn)證體系實(shí)現(xiàn)國(guó)際實(shí)質(zhì)等效。工程教育專業(yè)認(rèn)證遵循以學(xué)生為中心、以能力產(chǎn)出為導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)的理念，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。這體現(xiàn)在工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中12個(gè)畢業(yè)要求中，有8個(gè)要求都提到了復(fù)雜工程問題這一關(guān)鍵詞。2017年以來，以國(guó)際借鑒為基礎(chǔ)，逐漸開啟具有中國(guó)特色的新工科(Emerging Engineering Education，3E)建設(shè)，進(jìn)而凝聚發(fā)展成為我國(guó)高等工程教育的改革熱點(diǎn)和發(fā)展焦點(diǎn)。基于對(duì)創(chuàng)新經(jīng)濟(jì)、新科技革命和新產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的觀察、調(diào)研、分析和研究，提出了新工業(yè)革命時(shí)代和創(chuàng)新經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的基本工程素質(zhì)。其中一條就是具有較強(qiáng)的自然科學(xué)、數(shù)學(xué)和工程科學(xué)基礎(chǔ)、多學(xué)科、跨學(xué)科的工程和技術(shù)知識(shí)；設(shè)計(jì)、建造、創(chuàng)造和創(chuàng)新、技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)、解決復(fù)雜的工程問題的能力。可見，具備分析和解決復(fù)雜工程問題的能力是工程認(rèn)證和新工科建設(shè)對(duì)工科學(xué)生提出的基本要求和基本工程素質(zhì)。

《信號(hào)與系統(tǒng)》是自動(dòng)化專業(yè)重要的工程基礎(chǔ)類核心課，它的先修課程為數(shù)學(xué)類課程，后續(xù)課程為專業(yè)類課程。作為一門從理論到應(yīng)用的過渡課程，在教學(xué)過程中，注重培養(yǎng)學(xué)生使用數(shù)學(xué)、物理等理論知識(shí)分析和解決復(fù)雜工程問題的能力，對(duì)于工程認(rèn)證的實(shí)施、新工科建設(shè)以及自動(dòng)化專業(yè)人才的培養(yǎng)都具有重要的意義。

2 復(fù)雜工程問題的甄選

電機(jī)由于異常振動(dòng)問題會(huì)給用戶帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失，因此，治理電機(jī)異常振動(dòng)問題是工程中的復(fù)雜工程問題之一。而準(zhǔn)確判定振動(dòng)源是解決電機(jī)異常振動(dòng)的關(guān)鍵。目前，工程中常用的確定振動(dòng)源的方法是頻譜分析法，即通過振動(dòng)傳感器采集電機(jī)振動(dòng)信號(hào)并進(jìn)行處理，然后繪制其頻譜圖，通過頻譜分析進(jìn)一步判斷振動(dòng)源。所以《信號(hào)與系統(tǒng)》課程中信號(hào)頻譜圖的繪制及分析是解決電機(jī)異常振動(dòng)問題的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

另外，工程中的突破帶寬上限的控制、控制系統(tǒng)的校正、控制系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性和魯棒性分析等問題均屬于控制工程中的復(fù)雜工程問題。而解決這些復(fù)雜工程問題的基礎(chǔ)和關(guān)鍵便是系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性。頻率響應(yīng)是描述系統(tǒng)特性的一個(gè)工具，具體來說，它從幅度和相位兩個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)的特性進(jìn)行描述。

3 案例設(shè)計(jì)和分析

通過前面的分析可見，信號(hào)的頻譜圖和系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性是解決復(fù)雜工程問題的基礎(chǔ)，在《信號(hào)與系統(tǒng)》課程教學(xué)過程中，通過設(shè)計(jì)綜合案例，借助Matlab仿真工具對(duì)案例進(jìn)行分析，幫助學(xué)生建立分析和解決復(fù)雜工程問題的思維，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生分析和解決復(fù)雜工程問題的能力。

3.1 案例的設(shè)計(jì)

RLC電路如圖1所示，借助Matlab繪制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性、系統(tǒng)階躍響應(yīng)的時(shí)域波形及頻譜圖。

圖1 RLC電路

3.2 案例的分析

在SIMULINK中使用電阻、電容、電感元件、階躍信號(hào)源、電壓測(cè)量模塊及示波器搭建的RLC仿真電路如圖2所示。

圖2 RLC仿真電路

通過編寫m文件，并使用Bode函數(shù)得到RLC電路的的頻率響應(yīng)特性如圖3所示。

圖3 RLC電路的頻率響應(yīng)特性

在SIMULINK中分別使用Scope和Spectrum Analyzer工具得到系統(tǒng)階躍響應(yīng)的時(shí)域波形及頻譜圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 RLC電路的階躍響應(yīng)時(shí)域波形

圖5 RLC電路的階躍響應(yīng)頻譜圖

由頻率響應(yīng)特性Bode圖可以看出，系統(tǒng)在105rad/s頻率處產(chǎn)生諧振現(xiàn)象；從輸出信號(hào)的時(shí)域波形圖可以看出，階躍響應(yīng)出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)的振蕩；從輸出信號(hào)的頻譜圖上也可以看出，在16kHz左右幅度頻譜出現(xiàn)了極大值點(diǎn)。通過對(duì)該案例的分析和解決，能夠讓學(xué)生對(duì)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性、信號(hào)的頻譜圖、諧振現(xiàn)象等概念有深入的理解，并能夠?qū)π盘?hào)與系統(tǒng)之間的關(guān)系，即信號(hào)通過系統(tǒng)產(chǎn)生的響應(yīng)、系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的作用以及信號(hào)的時(shí)域特性和頻域特性的對(duì)應(yīng)關(guān)系有更加直觀和深入的體會(huì)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于工程認(rèn)證和新工科建設(shè)對(duì)工科學(xué)生提出的具備分析和解決復(fù)雜工程問題能力的基本要求。通過甄選復(fù)雜工程問題、分析解決復(fù)雜工程問題的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的案例。通過對(duì)案例的分析和解決，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)的方法論等工程能力，實(shí)現(xiàn)了《信號(hào)與系統(tǒng)》課程教學(xué)中工程能力培養(yǎng)的目的。