基于Matlab的機械工程控制基礎課程教學分析

劉祥建 宇海英 趙海霞金陵科技學院機電工程學院 江蘇南京 211169

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基于Matlab的機械工程控制基礎課程教學分析

劉祥建 宇海英 趙海霞
金陵科技學院機電工程學院 江蘇南京 211169

摘 要：針對機械工程控制基礎課程教學中學生學習積極性不高和教學效果差的現象，結合Matlab軟件的諸多優點，分析了在機械工程控制基礎課程教學中引入Matlab軟件的必要性。同時，通過舉例介紹了Matlab軟件在機械工程控制基礎課程教學中的具體應用，對于提升課程教學效果、加強學生的綜合素質和創新能力的培養具有重要的參考意義。

關鍵詞：Matlab；機械工程控制基礎；課程教學

機械工程控制基礎課程是高等院校中機械類專業的一門重要的專業技術基礎課，課程以機械工程系統為研究對象，重點介紹經典控制理論的基本原理和基本方法[1]。課程側重原理，其內容密切結合工程實際，突出培養學生的創新能力和工程實踐能力[2]。作為一名該門課程的主講教師，筆者在平常教學中發現，學生的學習積極性普遍不高，且隨著學習內容的深入，甚至有些學生對課程失去了學習興趣。針對上述現象，筆者結合自己的教學工作，初步分析了將Matlab軟件引入到機械工程控制基礎課程教學中的必要性，并給出了Matlab在課程教學中的運用舉例，以期提高學生對該門課程的學習積極性。

1 Matlab的優點及其引入課程教學的必要性1.1 Matlab的優點

Matlab軟件是美國Math Works公司推出的一款商業數學軟件，主要包括Matlab和Simulink兩大部分?？梢赃M行矩陣運算、繪制函數和數據、創建用戶界面等，其應用領域涉及工程計算、控制系統設計、信號處理、圖像處理等諸多領域[3]。其優點主要表現在以下幾方面。

(1)簡單易用，Matlab的界面接近Windows的標準界面，人機交互性強，即使是非計算機專業人員也可很快上手。

(2)高效的數值計算和符號計算能力，可以滿足用戶所需的各種計算功能。

(3)強大的圖形處理功能，能方便地實現計算結果和編程的可視化。

(4)具有功能豐富的應用工具箱，可以為用戶提供大量方便實用的處理工具。

由此可見，Matlab軟件對于機械類的大學生來說，在教師的指引下，可以很快自學使用，且完全能滿足機械工程控制基礎的教學需要。

1.2Matlab引入課程教學的必要性

機械工程控制基礎作為一門理論性和實踐性都比較強的專業課程，在課程教學中表現出如下特點。

(1)課程具有教學內容抽象、數學理論性較強、圖表曲線多等特點，這對剛剛接觸專業課程學習的大學生來說，無疑又增加了他們學習這門課程的難度，導致很多學生在學習中“水土不服”，久而久之，學生們也逐漸失去了課程后續內容學習的興趣。

(2)作為應用型新興本科院校，課堂教學過分注重基本理論內容的講解，缺乏實踐環節的鍛煉，使得學生所學知識與機械工程實際應用缺乏聯系，課程內容枯燥無味。

(3)課程教學偏重于應試教學模式，忽略了學生的綜合素質和創新能力的培養，課程學完結束之后，學生掌握的僅僅是幾個基本概念和幾個基本公式，而關于控制系統分析、設計方面的相關軟件卻很生疏。

而前述的Matlab軟件的諸多優點正好可以解決上述問題，在機械工程控制基礎課程教學中引入Matlab軟件，一方面，可以滿足常見機械工程控制系統的建模、設計、仿真和分析等過程；另一方面，Matlab軟件的強大的圖形處理功能和友好的可視化界面必將會增加學生的興趣和積極性。

2 Matlab在課程教學中的運用舉例

Matlab軟件在機械工程控制基礎課程教學中的運用涉及系統的時間響應分析、頻率特性分析、穩定性分析及連續線性系統的設計與校正等多個方面[4-5]，下面以系統的時間相應分析和穩定性分析為例說明Matlab軟件在課程教學中的運用。

2.1在系統時間響應分析方面的運用

Matlab軟件可以實現系統的時間響應分析，通過系統在典型輸入信號下的時間響應曲線，不但可以了解控制系統的參數變化對其響應曲線波形的影響，而且可以測試出系統的瞬態響應性能指標。下面舉例說明。

已知某系統的傳遞函數為

要求繪制完成20秒的系統的單位階躍響應曲線，并求取相應的瞬態響應性能指標。

利用Matlab命令語句編制程序：

num=[3];

den=[1 1 3];

T=20;

sys=tf(num,den);

step(sys,T)

運行上述命令語句，即可繪制出系統的單位階躍響應曲線(如圖1所示)。通過系統的單位階躍響應曲線，再結合教材中關于上升時間、峰值時間及超調量等瞬態響應性能指標的定義，可以很直觀地將這些基本概念及其計算方法跟學生解釋清楚。另外，通過調整系統的增益，可獲得系統增益對系統輸出波形的影響。這樣不但可以將增益的概念跟學生講解明白，而且也可以向學生展現增益變化對系統瞬態響應性能指標的影響關系。

圖1　系統單位階躍響應曲線

通過這樣一種課程教學方式，不但大大提高了學生的學習興趣，而且也讓學生掌握了Matlab軟件的一些基本操作，有利于教學效果的提升。

2.2在系統穩定性分析方面的運用

Matlab軟件同樣可以應用在系統穩定性判斷的教學過程中，通過Matlab軟件繪制系統的Nyquist圖和Bode圖，再結合教材中給出的相應的穩定性判據，即可判斷閉環系統的穩定性。下面舉例說明。

已知某系統的傳遞函數為

要求繪制系統的Nyquist圖和Bode圖，并判斷閉環系統穩定性。

利用Matlab命令語句編制程序：

b=1;

a1=[0.6 1];

a2=[0.2 1];

a3=[0.06 1];

a=conv(a1,a2);

a=conv(a,a3);

margin(b,a)

nyquist(b,a)

運行上述命令語句，就可繪制出系統的Nyquist圖和Bode圖(如圖2、圖3所示)。從圖中可知，系統的Nyquist圖逆時針包圍(-1，j0)點0次，而開環系統極點全部位于左半s平面，根據Nyquist穩定判據，故閉環系統穩定。同樣，在Bode圖中，幅值穿越頻率小于相位穿越頻率，根據Bode穩定判據，閉環系統穩定。

圖2　系統nyquist圖

圖3　系統bode圖

顯然，對于控制系統穩定性判據的教學，融入基于Matlab軟件的這些仿真實例，不但思路簡潔清晰、便于理解，而且更容易凝聚學生的視線。

通過上述兩則實例可以看出，在機械工程控制基礎的課程教學中融入Matlab軟件，有利于提升課程教學效果。

值得注意的是，在傳統的教學過程中，人們往往只重視概念和公式的死記硬背，學生只會套用公式及模仿例題，一旦要解決的問題發生變化，便無從下手應對，使得學生的綜合素質和創新能力受到限制。例如，對于上述的二階系統的時間響應分析，僅僅通過書本，學生掌握的可能只是與之相關的幾個基本概念和幾個計算公式，這些對于學生應付期末考試可能已經足夠，但是用它們解決一些新的問題就顯得捉襟現肘了。基于Matlab軟件的課程教學可以很好地解決這一問題，就上述二階系統的時間響應分析教學過程來說，當介紹完與二階系統時間響應相關的基本概念和計算公式后，不要急于介紹下一節內容，而是可以根據這部分學習內容設計一些有典型代表意義的仿真實驗。例如，二階系統的增益變化對其穩定性有何影響？三階系統的時間響應曲線又是怎樣的？通過設計這樣的一些仿真實驗，給學生創設自主探索的機會，使學生在探索中學會猜想，在探索中學會驗證，在探索中掌握相關軟件工具。興趣的激勵還可能促使學生運用掌握的Matlab軟件積極探索現實生活中的工程實例，實現在探索中綜合素質的提高和創新能力的培養。

3 結束語

針對應用型新興本科院校機械工程控制基礎課程教學的目標和特點，將Matlab軟件引入到其課程的教學中，一方面，在某些知識點的講解上，通過圖形化的互動教學，使學生能夠更加直觀、清晰的理解和掌握一些抽象的概念和理論，有利于提高課堂教學質量，增加學生的學習興趣；另一方面，軟件化的教學能夠提升學生學習、運用Matlab軟件的積極性，有助于提高學生獨立分析問題、解決問題的能力。由此可見，Matlab軟件的引入為機械工程控制基礎課程提供了一種全新的教學方法，使學生的綜合素質和創新能力得到較好的培養。

參考文獻

[1] 楊叔子,楊克沖.機械工程控制基礎[M].武漢:華中科技大學出版社,2011.

[2] 周先輝.面向工程能力培養的《機械工程控制基礎》課程教學方法探索[J].高教論壇,2010,(1):81-83.

[3] 劉保柱,蘇彥華,張宏林.Matlab7.0從入門到精通(修訂版)[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[4] 黃忠霖,周向明.控制系統Matlab計算及仿真實訓[M].北京:國防工業出版社,2006.

[5] 薛定宇,陳陽泉.基于Matlab/SIMULINK的系統仿真技術與應用[M].北京:清華大學出版社,2002

Analysis of Course Teaching for Mechanical Engineering Control Foundation based on Matlab

Liu Xiangjian, Yu Haiying, Zhao Haixia
School of Mechanical and Electrical Engineering, Jinling Institute of Technology, Nanjing, 211169, China

Abstract:Aiming at the problems existing in the course teaching of mechanical engineering control foundation, the necessity of introducing Matlab software into the course teaching of mechanical engineering control foundation was analyzed based on the advantages of Matlab software. Furthermore, the application of Matlab software in the course teaching of mechanical engineering control foundation was introduced by listing some examples, which benefits to improve teaching quality, students’ comprehensive quality and innovation ability.

Key words:Matlab; mechanical engineering control foundation; course teaching

基金項目：江蘇省高校“青藍工程”資助項目(編號：2014)；金陵科技學院教改項目(編號：40713004)。

作者簡介：劉祥建，博士，副教授。宇海英，碩士，教授。趙海霞，碩士，副教授。

收稿日期：2015-09-01