基于仿真软件应用的《机械控制工程基础》教学改革方法

管声启 陈永当 董友耕

【摘 要】针对机械控制工程基础课程教学内容抽象、理论性強，机械工程类学生难以理解等问题，本文提出了基于matlab仿真软件的教学改革新方法。通过研究和探讨了matlab辅助教学方法，以改善教学效果。

【关键词】机械工程控制；Matlab仿真；教学改革

一、引言

“机械控制工程基础”课程是机械工程类专业学生一门主要专业基础课程，它是利用自动控制理论解决机械工程中的实际问题的一门科学，要求学生能够对机电、机械设备的工作原理进行分析与合理设计，培养学生系统观念和工程意识。然而，该课程内容涉及大量公式以及图形绘制和分析，授课教师需要推导繁琐公式以及图形绘制，这不仅占据宝贵的课堂教学时间，而且使学生感觉学习内容过于抽象达不到预期效果。

如何使学生从抽象的理论学习和繁琐公式推导中摆脱出来，能够熟练实现对现有的各种机电、机械设备的工作原理进行分析与合理设计，解决工程实际中控制问题，是“机械控制工程基础”课程教改必须解决的问题。随着各类新型仿真软件的出现，给传统的教学提供了多种现代的教学手段。如果在“机械控制工程基础”教学中合理融入这些仿真软件，解决教学过程中繁琐的计算和公式推导，就可以有效扩充教学信息，使教学过程变得生动形象，从而提高教学效果。

（一）MATLAB仿真软件介绍

MATLAB仿真软件是Math Work公司在20世纪80年代推出的工程计算和数值分析交互式软件，它具有数值计算功能强、程序可移植性好、工具箱丰富等特点。Matlab是强有力的工程问题分析，计算和程序设计系统，是大学生必需掌握的基本软件之一。目前，该软件已经被广泛的应用到信号与图像处理、控制系统、科学计算等工程领域。其中，控制系统工具箱是MATLAB软件针对控制系统工程设计的函数及工具，使用者可以根据需要轻松绘制出系统时频响应等内容；另外，MATLAB自身可以提供开放式环境，用户可以通过M文件建立自己的控制模型及算法。

（二）教学中运用MATLAB软件

利用 MATLAB仿真软件强大的数据处理、图形绘制以及良好开放的环境等优点，可以在课堂教学和实验教学中，直接通过可视化环境展示深奥的控制理论、控制过程的计算、图形绘制等，增强控制工程应用的感性认识，加深对理论的理解，提高实际教学效果。

1.在数学模型中应用

建立控制系统的模型是控制系统分析和设计的基础。“机械控制工程基础”课程中，线性定常系统的主要数学模型有微分方程、传递函数、动态结构图等。利用MATLAB软件可以实现对控制的建模、模型求解、绘制传递函数方框图等。

用MATLAB表示传递函数

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）

运行结果：

G=■

2.在时域分析中应用

通过分析典型信号响应的动态性能和计算系统的性能指标，描述系统的稳定性、准确性和快速性。传统的方法是通过系统的结构参数和输入信号，计算系统的时间响应函数，然后计算相应的性能指标，计算过程复杂，不直观，教学效果不理想。

例2 G（s）=■，？子分别取0，0.0125，0.025

利用MATLAB仿真输入信号为单位阶跃信号的二阶惯性系统的时间响应。

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；

不同参数系统响应的仿真结果如图1所示：

根据系统响应曲线，可以直观看出系统在不同的阻尼比条件下，响应动态特性的变化；此外，还可以通过编程直接计算性能指标，这样很容易发现其内在规律，有利于教学提高教学效果。

3.在频域分析中应用

在MATLAB环境下，应用nyquist（）和bode（）很容易绘制系统频率特性极坐标图和对数坐标图，根据系统的开环传递函数的频率特性曲线，可以判断闭环系统的稳定性和相对稳定稳定裕量。

例3 绘制Gk（s）=■的频率特性极坐标图和对数坐标图，并计算系统相对稳定性指标。

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]

系统相对稳定性指标幅值裕度、相位裕度、相位穿越频率和幅值穿越频率分别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°之间，上述系统有满意的稳定性储备。

二、总结

针对“机械控制工程基础”课程的教学的特点，将Matlab仿真软件引入到课程教学中；可以通过图形化的互动教学，使学生能够更加直观、清晰的理解和掌握抽象的理论和概念，有利于提高课堂教学质量，增加学生的学习兴趣；同时，软件化的教学提升学生学习、运用仿真软件的积极性，有助于他们提高独立分析问题、解决问题的能力。因此，将Matlab仿真软件引入到“机械控制工程基础”教学中，进行辅助教学，将以改善教学效果。

基金项目：西安工程大学本科教学改革研究项目（项目编号：2016JG15）。

作者简介：管声启（1971-），安徽省安庆市人，教授，博士，研究方向为机械工程等。

参考文献：

[1]杨叔子，杨克冲，等.机械工程控制基础[M].第六版。武汉：华中科技大学出版社，2012：70-192.

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[4]刘进志，张学龙，盘存治.简析MATLAB在《控制工程基础》的教学中应用[J].决策管理，2009.

[5]顾玉萍，石剑锋.MATLAB在《机械控制工程基础》教学中的应用[J].职业教育研究，2007.