虛擬仿真技術(shù)在《機(jī)械工程控制原理》中的教學(xué)改革

蔡容　王華敏

【摘要】分析當(dāng)前獨(dú)立學(xué)院工科專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)于機(jī)械工程控制原理課程的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，并提出了相應(yīng)的改革對(duì)策，以目前較強(qiáng)大的虛擬仿真教學(xué)軟件Matlab為依托工具，對(duì)其進(jìn)行教學(xué)改革，使得《機(jī)械工程控制原理》課程的教學(xué)效果得到極大的改善。

【關(guān)鍵詞】《機(jī)械工程控制原理》；虛擬仿真技術(shù)；Matlab；教學(xué)改革

1、引言

2014年獨(dú)立學(xué)院在轉(zhuǎn)型設(shè)為獨(dú)立設(shè)置高校時(shí)，國(guó)務(wù)院鼓勵(lì)其定位成應(yīng)用技術(shù)類(lèi)型高等學(xué)校，對(duì)于獨(dú)立院校的教育問(wèn)題也就成為了以就業(yè)為導(dǎo)向的“就業(yè)教育”，其教育重任即是為社會(huì)培養(yǎng)應(yīng)用型、技能型、工藝型人才的，因而在教學(xué)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力培養(yǎng)和職業(yè)技能方面的訓(xùn)練[1]。近年來(lái)對(duì)于《機(jī)械工程控制原理》的教學(xué)改革研究正在逐步開(kāi)展，在其教學(xué)過(guò)程中需重點(diǎn)加強(qiáng)理論和實(shí)踐的結(jié)合，這就對(duì)學(xué)生提出了更高的要求，學(xué)生不僅要在課堂上學(xué)好基礎(chǔ)理論知識(shí)，還要豐富強(qiáng)化自己的實(shí)際動(dòng)手能力，從而使學(xué)生加強(qiáng)對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的理解。如何讓學(xué)生更好的掌握《機(jī)械工程控制原理》這門(mén)機(jī)械專(zhuān)業(yè)的重點(diǎn)課程，本課題組提出將虛擬仿真技術(shù)與其他先進(jìn)的教學(xué)方法相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)該教學(xué)方法有助于提高該課程的教學(xué)效果，并且虛擬仿真教學(xué)的成本較低、效率卻比較高，可以讓學(xué)生不受到場(chǎng)地和設(shè)備的限制，有機(jī)會(huì)掌握更多的實(shí)踐技能，取得更好的教學(xué)效果[2-3]。

2、機(jī)械工程控制原理的學(xué)情分析及改革對(duì)策

《機(jī)械工程控制原理》這門(mén)課程理論性強(qiáng)，學(xué)生大多數(shù)感到難學(xué)，同樣的教師也會(huì)覺(jué)得難教，主要由于該課程所涉及的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)比較廣泛，抽象概念多，教學(xué)過(guò)程容易枯燥。本課程主要涉及經(jīng)典控制理論部分，主要教學(xué)內(nèi)容包括了以下方面： 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立；系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)分析；系統(tǒng)的頻率特性分析； 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析；系統(tǒng)的性能分析與校正。由于課程內(nèi)容較為抽象，如果脫離具體的實(shí)際機(jī)械工程對(duì)象完全只作純粹的理論教學(xué)，學(xué)生將很難理解和接受，所以完全由必要將理論教學(xué)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合起來(lái)，使教學(xué)過(guò)程更加具有針對(duì)性和具體性。

另外，獨(dú)立院校工科專(zhuān)業(yè)的學(xué)生的數(shù)理基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，教學(xué)計(jì)劃中也不可能花大量的時(shí)間來(lái)講解數(shù)理內(nèi)容，相對(duì)于弱化了部分?jǐn)?shù)理知識(shí)的要求。而通過(guò)本人這幾年帶《機(jī)械工程控制原理》這門(mén)課程的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生要較好的理解書(shū)中的概念，必備條件是具有良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，這種強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的教學(xué)方法的教學(xué)效果非常不好，大多數(shù)同學(xué)由于基礎(chǔ)薄弱，邏輯推理能力較低，面對(duì)復(fù)雜公式推導(dǎo)求解過(guò)程時(shí)都望而卻步，甚至不愿意再去認(rèn)真聽(tīng)課，導(dǎo)致最后對(duì)這門(mén)課失去興趣，并且一些工程中的數(shù)據(jù)處理是非常復(fù)雜的，人工計(jì)算很難實(shí)現(xiàn)，像精確的畫(huà)系統(tǒng)的Nyquist圖、Bode圖、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正等都需要大量的計(jì)算。顯然這種傳統(tǒng)的教學(xué)方法不適用獨(dú)立院校的學(xué)生。所以為了減少學(xué)生對(duì)模型的分析求解問(wèn)題的畏懼感，非常有必要引入虛擬仿真軟件，這樣學(xué)生能夠獨(dú)立地完成較復(fù)雜的模型求解，計(jì)算結(jié)果也比較直觀，便于理解，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣就更加濃厚。

針對(duì)學(xué)生在學(xué)習(xí)《機(jī)械工程控制原理》中出現(xiàn)的問(wèn)題，在教學(xué)過(guò)程中充分利用現(xiàn)有教學(xué)資源，加強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)和仿真環(huán)節(jié)的教學(xué)，這不僅使他們加強(qiáng)對(duì)抽象概念的理解，而且會(huì)使其在學(xué)習(xí)過(guò)程中體會(huì)到虛擬仿真技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中所起的作用，提高主動(dòng)性和積極性。

3、以Matlab作為虛擬仿真工具進(jìn)行教學(xué)改革的可行性分析

工程問(wèn)題的分析計(jì)算及圖示離不開(kāi)計(jì)算語(yǔ)言，但通常的Fortran、Basic和C等語(yǔ)言用起來(lái)并不方便。從20世紀(jì)80年代起，出現(xiàn)了科學(xué)計(jì)算語(yǔ)言，也就是數(shù)學(xué)軟件，因其具有高效、簡(jiǎn)潔及可視化等特點(diǎn)，在高等工程教育及科學(xué)與工程計(jì)算中，正迅速取代傳統(tǒng)的Fortran、Basic等語(yǔ)言。在自動(dòng)控制領(lǐng)域內(nèi)，Matlab語(yǔ)言是當(dāng)今目前最具影響力和活力的軟件之一，是一種以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的交互式程序語(yǔ)言，能夠滿足科學(xué)、工程計(jì)算和繪圖的要求，具有其他軟件無(wú)法替代的地位。Matlab因?yàn)槿菀滋幚砭仃嚒⑤p松繪圖、編程簡(jiǎn)潔、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)、更重要的是Matlab的入門(mén)較簡(jiǎn)單，學(xué)生完全可以自學(xué)相關(guān)內(nèi)容，有利于學(xué)生學(xué)生的使用，所以將Matlab軟件引入《機(jī)械工程控制原理》的教學(xué)中是完全可行的。

在機(jī)械工程控制原理的教學(xué)過(guò)程中引入Matlab進(jìn)行輔助教學(xué)后，可以將教學(xué)的重點(diǎn)放在數(shù)學(xué)模型的建立，而繁瑣的計(jì)算和繪圖由Matlab來(lái)完成。課程的內(nèi)容可以優(yōu)化為三大部分，即：建立數(shù)學(xué)模型組成控制系統(tǒng)；分析系統(tǒng)，主要是時(shí)域法和頻率特性法；設(shè)計(jì)系統(tǒng)。這三個(gè)部分均可以利用Matlab軟件，建模部分用Matlab軟件進(jìn)行拉氏變換、微分方程的求解等。分析部分充分體現(xiàn)了Matlab軟件的強(qiáng)大輔助教學(xué)作用，可方便的繪制各種相應(yīng)的曲線（Nyquist圖、Bode圖和Nichols圖），觀察各參數(shù)的變化對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性的影響。在設(shè)計(jì)部分的教學(xué)中，主要是系統(tǒng)的校正，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，總結(jié)歸納出控制系統(tǒng)的分析方法，用工程案例（實(shí)際工程問(wèn)題）的形式將建立模型、分析系統(tǒng)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，這一部分既需要學(xué)生用掌握的已有知識(shí)、機(jī)理方法手算推導(dǎo)，還要利用Matlab進(jìn)行校正分析，這樣使學(xué)生較完整地初步將機(jī)械工程控制理論和設(shè)計(jì)問(wèn)題相結(jié)合。

此外還可以利用Matlab的動(dòng)態(tài)仿真工具simulink實(shí)現(xiàn)機(jī)械工程控制系統(tǒng)的建模和仿真，從而來(lái)提高分析問(wèn)題及解決問(wèn)題的能力。

4、虛擬仿真實(shí)例

本文以對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行頻域特性分析為例，描述其虛擬仿真過(guò)程。頻域分析法作為一種經(jīng)典分析方法，是用頻域特性研究系統(tǒng)的，是研究系統(tǒng)在正弦信號(hào)下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性。利用這種方法可直觀的表達(dá)出系統(tǒng)的特性，分析方法比較簡(jiǎn)單，物理概念明確。頻率曲線主要包括三種： Nyquist圖、Bode圖和Nichols圖。

在Matlab中繪制系統(tǒng)的Nyquist圖可采用如下函數(shù)調(diào)用：

舉例如下：已知有一控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 ，繪制Nyquist圖，并通過(guò)Nyquist圖判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

num=[2 6]；

den=[1 2 5 2]；

[z，p，k]=tf2zp（num，den）； p

nyquist（num，den）

4-1開(kāi)環(huán)極點(diǎn)的顯示結(jié)果及Nyquist圖

（下轉(zhuǎn)116頁(yè)）

（上接114頁(yè)）極點(diǎn)的顯示結(jié)果與相應(yīng)的Nyquist圖如圖4-1所示。根據(jù)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)判斷其開(kāi)環(huán)系統(tǒng)在右半平面的極點(diǎn)數(shù)P=0，Nyquist曲線逆時(shí)針包圍（-1，j0）0圈，所以閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定。

p =

-0.7666 + 1.9227i

-0.7666 - 1.9227i

-0.4668

由仿真結(jié)果來(lái)看，通過(guò)輸入程序，就可以得到相應(yīng)的Nyquist圖，通過(guò)分析開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的Nyquist圖判斷系統(tǒng)是穩(wěn)定的，并且通過(guò)Matlab計(jì)算出該系統(tǒng)的所有極點(diǎn)都在左半平面，再一次印證了系統(tǒng)是穩(wěn)定的，簡(jiǎn)化了繁瑣的數(shù)學(xué)計(jì)算過(guò)程，并且可以直觀的觀察分析結(jié)果。

結(jié)論：

本文提出以目前較強(qiáng)大的虛擬仿真教學(xué)軟件Matlab為計(jì)算工具，對(duì)獨(dú)立院校的機(jī)械專(zhuān)業(yè)重點(diǎn)學(xué)科課程——《機(jī)械工程控制原理》進(jìn)行教學(xué)改革研究。通過(guò)分析學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，簡(jiǎn)化繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程，與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

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