《機械控制工程基礎》數學建模與計算機仿真實踐教學

摘 要:《機械控制工程基礎》課程主要研究經典控制理論單輸入-單輸出SISO系統，具有理論基礎完善和實踐應用范圍廣泛等特點。全文從本課程實踐教學項目的研究目的和意義出發，著重闡述了借助MATLAB軟件平臺數學建模的方法，并設計了項目實施的有效途徑。

關鍵詞:數學建模機電控制計算機教學MATLAB軟件

中圖分類號:G642文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(b)-0189-01

1 引言

機電控制技術是機械、電子、計算機和自動控制等技術的有機結合，機械電子工程專業主要培養德、智、體全面發展，并能從事機電一體化產品和系統的設計、制造、運行的工程技術人才。學生通過學習可獲得工程師的初步訓練，適合到企事業單位從事技術及管理工作。培養目標上主要包括以下幾個方面:(1)、系統地掌握機械制圖、力學、機械制造工藝等機械工程方面的基礎理論、基本知識;(2)、掌握電子技術、微機應用技術、檢測與控制技術的基本理論和基本知識;(3)、具有一定的機電一體化產品和系統的設計、制造、使用和維護的綜合能力;(4)、具有一定的計算機應用能力。

MATLAB是矩陣實驗室(Matrix Laboratory)的簡稱，是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB作為現代數學計算和計算機模擬仿真的應用軟件，將高性能的數值計算可視化，提供了大量的內置函數．從而被廣泛地應用于科學計算、控制系統、信息處理等領域，已經成為工科學生一門必備的數學工具。本文將機械工程控制的數學建模問題通過MATLAB來實現，將傳統的問題通過現代化的工具實現，以顯示MATLAB在機械控制工程中處理問題的快捷性與優越性。

2 機電控制課程特點

機械控制工程基礎是一門多學科交叉的基礎課程，機電控制工程基礎的基本問題是:建立系統的數學模型;系統分析計算;綜合校正確定控制規律。本課程的基本任務，是使學生獲得機電控制系統的基本理論，掌握系統的基本分析方法和計算方法。為設計機電控制系統及后繼課程的學習和進一步研究學習控制理論打下一定的基礎。本課程中應用的數學較多，在控制理論書籍中使用了大量的數學，使得大多數機械類學生學習控制工程感到抽象和困難，對學習這些理論的目的性缺乏認識，影響了學習興趣，學習效果欠佳。為幫助學生更好地理解基本概念，掌握基本理論和基本方法，將MATLAB先進控制軟件工具以及教改和教學研究成果及學科最新發展引入教學，使學生加深對經典控制理論的理解。仿真實驗內容豐富靈活，彌補了傳統實驗的不足。學生可不受實驗室的限制，只要有計算機，何時何地就能進行。從應用情況看，基于MATLAB的自動控制原理仿真起到了很好的輔助教學的作用，能把抽象的理論知識與可視的圖形結合起來，深化理論知識。

3 運用MATLAB實現系統分析范例

MATLAB作為一種高性數值能計算軟件，其系統控制工具箱主要處理以傳遞函數為主要特征的經典控制和以狀態空間為主要特征的現代控制中的問題。該工具箱對控制系統的建模、分析和設計提供了一個完整的解決方案，是MATLAB最有力和最基本的工具箱之一。其功能包括系統建模、系統分析、系統設計。在工程控制中有很重要的影響。而早期的控制系統分析過程復雜而耗時，如想得到一個系統的沖激響應曲線，首先需要編寫一個求解微分方程的子程序，然后將已經獲得的系統模型輸入計算機，通過計算機的運算獲得沖激響應的響應數據，然后再編寫一個繪圖程序，將數據繪制成可供工程分析的響應曲線。所以MATLAB控制系統工具箱和SIMULINK輔助環境的出現，給控制系統分析帶來了福音，只需要幾個命令就可實現復雜的人工工作，如圖1所示的伯德圖與奈奎斯特圖的繪制。

4 實踐課程教學改革的實施

為了突出重點，突破難點，在課程教學中盡量運用MATLAB進行范例解析，形象地向學生展現機械控制工程中生硬晦澀的數學內容。為了讓學生加強對教學重點的掌握和難點的理解，實現教學目標，由淺入深分階段實施實踐教學。

首先是范例分析階段:由任課教師提供典型范例，進行深入細致的講解，并針對不同知識點設計課程作業，深入淺出的幫助學生完成從理論到實踐的過渡，使學生掌握最基本的專業技能和基本理論。

其次是模擬設計訓練階段:由教師提供綜合范例，要求學生運用所學知識完成任務，其目的是提高學生的MATLAB應用能力，鞏固掌握的機械控制工程知識和技能，增強創新的能力和意識。

最后是綜合檢驗階段:由教師提供工程實際范例，檢驗自己分析問題與解決問題的能力，達到理論聯系實際的目的，在實踐中鞏固理論。

《機械控制工程基礎》課程理論性比較強，概念多，較抽象。在教學方法、教學手段上要進一步進行改革，尋找更好的措施，提高教學質量。同時進一步發揮實踐教學的特點，使學生在實踐教學環節中，加深理解理論知識。

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