基于仿真軟件應用的《機械控制工程基礎》教學改革方法

管聲啟 陳永當 董友耕

【摘 要】針對機械控制工程基礎課程教學內容抽象、理論性強，機械工程類學生難以理解等問題，本文提出了基于matlab仿真軟件的教學改革新方法。通過研究和探討了matlab輔助教學方法，以改善教學效果。

【關鍵詞】機械工程控制；Matlab仿真；教學改革

一、引言

“機械控制工程基礎”課程是機械工程類專業學生一門主要專業基礎課程，它是利用自動控制理論解決機械工程中的實際問題的一門科學，要求學生能夠對機電、機械設備的工作原理進行分析與合理設計，培養學生系統觀念和工程意識。然而，該課程內容涉及大量公式以及圖形繪制和分析，授課教師需要推導繁瑣公式以及圖形繪制，這不僅占據寶貴的課堂教學時間，而且使學生感覺學習內容過于抽象達不到預期效果。

如何使學生從抽象的理論學習和繁瑣公式推導中擺脫出來，能夠熟練實現對現有的各種機電、機械設備的工作原理進行分析與合理設計，解決工程實際中控制問題，是“機械控制工程基礎”課程教改必須解決的問題。隨著各類新型仿真軟件的出現，給傳統的教學提供了多種現代的教學手段。如果在“機械控制工程基礎”教學中合理融入這些仿真軟件，解決教學過程中繁瑣的計算和公式推導，就可以有效擴充教學信息，使教學過程變得生動形象，從而提高教學效果。

（一）MATLAB仿真軟件介紹

MATLAB仿真軟件是Math Work公司在20世紀80年代推出的工程計算和數值分析交互式軟件，它具有數值計算功能強、程序可移植性好、工具箱豐富等特點。Matlab是強有力的工程問題分析，計算和程序設計系統，是大學生必需掌握的基本軟件之一。目前，該軟件已經被廣泛的應用到信號與圖像處理、控制系統、科學計算等工程領域。其中，控制系統工具箱是MATLAB軟件針對控制系統工程設計的函數及工具，使用者可以根據需要輕松繪制出系統時頻響應等內容；另外，MATLAB自身可以提供開放式環境，用戶可以通過M文件建立自己的控制模型及算法。

（二）教學中運用MATLAB軟件

利用 MATLAB仿真軟件強大的數據處理、圖形繪制以及良好開放的環境等優點，可以在課堂教學和實驗教學中，直接通過可視化環境展示深奧的控制理論、控制過程的計算、圖形繪制等，增強控制工程應用的感性認識，加深對理論的理解，提高實際教學效果。

1.在數學模型中應用

建立控制系統的模型是控制系統分析和設計的基礎。“機械控制工程基礎”課程中，線性定常系統的主要數學模型有微分方程、傳遞函數、動態結構圖等。利用MATLAB軟件可以實現對控制的建模、模型求解、繪制傳遞函數方框圖等。

用MATLAB表示傳遞函數

例1：G（s）=■

解：num=5*[111]

den=conv（conv（conv（[1 3 1]，[1 3 1]，[1 6 5 3]），[1 2]）

G=tf（num，den）

運行結果：

G=■

2.在時域分析中應用

通過分析典型信號響應的動態性能和計算系統的性能指標，描述系統的穩定性、準確性和快速性。傳統的方法是通過系統的結構參數和輸入信號，計算系統的時間響應函數，然后計算相應的性能指標，計算過程復雜，不直觀，教學效果不理想。

例2 G（s）=■，？子分別取0，0.0125，0.025

利用MATLAB仿真輸入信號為單位階躍信號的二階慣性系統的時間響應。

t=[0：0.01：1]；

nG=[50]；

tao=0； dG=[0.05 1+50*tao 50]； G1=tf（nG， dG）；

tao=0.0125； dG=[0.05 1+50*tao 50]； G2=tf（nG， dG）；

tao=0.025； dG=[0.05 1+50*tao 50]； G3=tf（nG， dG）；

[y1，T]=step（G1，t）；

[y2，T]=step（G2，t）；

[y3，T]=step（G3，t）；

subplot（121）， plot（T，y1， '-'， T，y2， '-.'， T，y3， '.'）；

legend（'tao=0'， 'tao=0.0125'， 'tao=0.025'）

xlabel（'t（sec）'）， ylabel（'x（t）'）；grid on；

不同參數系統響應的仿真結果如圖1所示：

根據系統響應曲線，可以直觀看出系統在不同的阻尼比條件下，響應動態特性的變化；此外，還可以通過編程直接計算性能指標，這樣很容易發現其內在規律，有利于教學提高教學效果。

3.在頻域分析中應用

在MATLAB環境下，應用nyquist（）和bode（）很容易繪制系統頻率特性極坐標圖和對數坐標圖，根據系統的開環傳遞函數的頻率特性曲線，可以判斷閉環系統的穩定性和相對穩定穩定裕量。

例3 繪制Gk（s）=■的頻率特性極坐標圖和對數坐標圖，并計算系統相對穩定性指標。

K=10；numG1=[K]；

denG1=conv（[1 5]，[1 1 0]）；

[re， im]=nyquist（numG1， denG1）；

subplot（121），plot（re， im）；grid

w=logspace（-2，3，100）；

subplot（122），，bode（numG1，denG1，w）；grid

[Gm1，Pm1，Wg1，Wc1]=margin（numG1，denG1）；

[20*log10（Gm1） Pm1 Wg1 Wc1]

系統相對穩定性指標幅值裕度、相位裕度、相位穿越頻率和幅值穿越頻率分別9.5424dB、25.3898°、2.2361s-1和1.2271s-1；可以看出，幅值裕度>6dB，相位裕度在30°～60°之間，上述系統有滿意的穩定性儲備。

二、總結

針對“機械控制工程基礎”課程的教學的特點，將Matlab仿真軟件引入到課程教學中；可以通過圖形化的互動教學，使學生能夠更加直觀、清晰的理解和掌握抽象的理論和概念，有利于提高課堂教學質量，增加學生的學習興趣；同時，軟件化的教學提升學生學習、運用仿真軟件的積極性，有助于他們提高獨立分析問題、解決問題的能力。因此，將Matlab仿真軟件引入到“機械控制工程基礎”教學中，進行輔助教學，將以改善教學效果。

基金項目：西安工程大學本科教學改革研究項目（項目編號：2016JG15）。

作者簡介：管聲啟（1971-），安徽省安慶市人，教授，博士，研究方向為機械工程等。

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