董金波 任思璟

1,黑龍江科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,哈爾濱 150027； 2,黑龍江科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院,哈爾濱 150027

運(yùn)用MATLAB仿真軟件促進(jìn)《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》課程教學(xué)的改革與實(shí)踐

董金波1任思璟2

1,黑龍江科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,哈爾濱 150027； 2,黑龍江科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院,哈爾濱 150027

“機(jī)械控制工程基礎(chǔ)”是機(jī)械工程類學(xué)生一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。為了解決機(jī)械控制工程課程內(nèi)容較抽象，理論性強(qiáng)，繪圖量、計(jì)算量大的問題，引入了MATLAB仿真軟件。提出了在傳統(tǒng)教學(xué)模式上結(jié)合現(xiàn)代教學(xué)手段的一些改進(jìn)措施，使教學(xué)與仿真實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合起來, 大大促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，同時(shí)還提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)和解決實(shí)際工程問題的能力。

MATLAB；機(jī)械控制工程基礎(chǔ)；仿真；教學(xué)改革

MATLAB; Mechanical control engineering basis;Simulation ;Teaching reform，

引言

“機(jī)械控制工程基礎(chǔ)”課程是本科高校機(jī)械工程類學(xué)生一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它是利用自動(dòng)控制理論的基本原理來解決機(jī)械工程中的實(shí)際問題的一門學(xué)科。該課程不僅理論性強(qiáng)，并有很強(qiáng)的工程背景。該課程的特點(diǎn)是其內(nèi)容除涉及大量公式推導(dǎo)外，還有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、信號(hào)流圖、伯德圖等大量繪圖。因此對(duì)于復(fù)雜控制系統(tǒng)的示意圖，傳統(tǒng)做法是教師一邊講解一邊繪圖，以展現(xiàn)完整的動(dòng)態(tài)控制過程，不僅大量課時(shí)被繪制圖形所占，而且達(dá)不到預(yù)期效果。而利用MATLAB軟件的分析、計(jì)算、繪圖和仿真功能可以使課堂教學(xué)直觀、形象，以便學(xué)生能夠?qū)Τ橄蟾拍詈屠碚摳玫睦斫猓饨虒W(xué)和學(xué)習(xí)難度，以便學(xué)生從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算和繪圖中解脫出來，把主要精力集中在對(duì)基本理論、基本原理的理解以達(dá)到提高授課質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的目的[1]。

1 MATLAB仿真軟件的介紹

MATLAB是80年代推出的用于工程計(jì)算和數(shù)值分析交互式軟件，將高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化集成在一起，從而被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、信息處理、控制系統(tǒng)等領(lǐng)域的分析、仿真和設(shè)計(jì)工作。其中包含的控制系統(tǒng)工具箱是MATLAB軟件包中專門針對(duì)控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的函數(shù)和工具的集合，涉及了經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的大部分內(nèi)容，包括根軌跡、極零點(diǎn)設(shè)置和最優(yōu)控制等。使操作者能夠輕松地繪制出系統(tǒng)的時(shí)域或頻域響應(yīng)和開環(huán)系統(tǒng)的根軌跡圖等內(nèi)容。MATLAB自身提供的開放式環(huán)境，可以讓用戶通過M文件建立自己的控制模型和控制算法。

2 機(jī)械工程控制基礎(chǔ)教學(xué)改革措施

《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》課程內(nèi)容比較抽象，理論性強(qiáng)、概念多，若用傳統(tǒng)方式進(jìn)行講授，其中公式多、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的章節(jié)學(xué)生會(huì)被一大堆概念、理論公式、復(fù)雜的方框圖搞得暈頭轉(zhuǎn)向，尤其是課程中的許多章節(jié)的內(nèi)容，需要通過復(fù)雜的計(jì)算和作圖才能理解有關(guān)概念和原理，單純的講授抓不住控制系統(tǒng)要點(diǎn)和內(nèi)在關(guān)聯(lián)使教學(xué)質(zhì)量難以提高。為進(jìn)一步提高《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》的教學(xué)效果，可以從以下幾個(gè)方面做出改革:

2.1 在機(jī)電專業(yè)大一、大二學(xué)生開設(shè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教程時(shí)，提前把MATLAB軟件的基礎(chǔ)知識(shí)作為此課程的重要內(nèi)容。使得學(xué)生能夠熟練掌握MATLAB這類工程計(jì)算軟件的基本技術(shù)，包括基本數(shù)學(xué)計(jì)算、矩陣處理、符號(hào)運(yùn)算等。

2.2 將MATLAB教學(xué)充分融入課程教學(xué)中，改變以往課程一直采用“教師－黑板－學(xué)生”的課堂教學(xué)方式，減少繁復(fù)的理論推導(dǎo)和講解說明。由于手工作圖往往要畫大量的曲線，當(dāng)考慮的因素較多時(shí)，大量的曲線很難區(qū)分，而且曲線的準(zhǔn)確度也難以保證，因此對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部基本原理和本質(zhì)的講解在整個(gè)教學(xué)中占比例很少。而MATLAB軟件的應(yīng)用使教師能在課堂現(xiàn)場(chǎng)對(duì)大量例題快速地進(jìn)行演示，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)基本概念的理解和應(yīng)用，減少定理和公式的太細(xì)的推演過程，突出重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容，盡可能多地增加例題講解數(shù)量和時(shí)間。這種建立在MATLAB軟件強(qiáng)大功能基礎(chǔ)上的實(shí)例教學(xué)不僅大大豐富了教學(xué)的表達(dá)手段，提高了教學(xué)效果，而且相比較于枯燥的傳統(tǒng)教學(xué)方法無可比擬且無法具備的優(yōu)點(diǎn)，大大提高了教師與學(xué)生的互動(dòng)性。學(xué)生更樂于接受這種生動(dòng)活潑的教學(xué)方式，對(duì)學(xué)生不懂之處和提出的問題，教師也可用MATLAB軟件隨時(shí)予以演示和答疑。教與學(xué)的互動(dòng)和反饋在課堂上就可以完成，改善了課堂的教學(xué)氣氛，明顯地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性和思維的活躍性[2]。

2.3 選擇合適的教材和多媒體課件，教材作為課前預(yù)習(xí)和課下復(fù)習(xí)的重要參考資料，它的優(yōu)劣對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有很大的影響。因此，在選擇教材的時(shí)候要據(jù)專業(yè)和學(xué)時(shí)的不同，選擇不同的教材。教材內(nèi)容應(yīng)緊密結(jié)合當(dāng)前機(jī)械工程學(xué)科發(fā)展的趨勢(shì)，不僅要注重控制理論的基本內(nèi)容，而且還要側(cè)重于系統(tǒng)性強(qiáng)、有工程實(shí)際意義的實(shí)例, 并且將MATLAB仿真與實(shí)際實(shí)例相結(jié)合，既可方便地實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)選擇和最優(yōu)化設(shè)計(jì)，又可迅速驗(yàn)證實(shí)際效果。

同時(shí)由于課時(shí)有限，學(xué)生在課后獨(dú)立操作時(shí)往往會(huì)遇到各種各樣的問題。根據(jù)這種情況，可以制作多媒體MATLAB輔導(dǎo)課件。課件內(nèi)容涵蓋教材中全部例題、習(xí)題，并有各題涉及的知識(shí)點(diǎn)和題解，以便滿足不同層次學(xué)生的需要。課件的組織以教材為單元，所包含的例題均與教材相同，以便教師進(jìn)行課堂教學(xué)[3]。

2.4 加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，改變傳統(tǒng)的控制工程實(shí)驗(yàn)。以往控制工程實(shí)驗(yàn)多是由學(xué)生在硬件電路箱上搭建系統(tǒng)，并結(jié)合信號(hào)發(fā)生器、示波器等儀器來分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。由于無法清楚看到實(shí)驗(yàn)中參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的影響過程，實(shí)驗(yàn)過后普遍感覺收獲甚微，并且學(xué)生離開實(shí)驗(yàn)室，不可能再重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程，因而不能更深入的對(duì)系統(tǒng)的有關(guān)特性進(jìn)行了解，這對(duì)教學(xué)是極為不利的。如果學(xué)生進(jìn)行MATLAB的實(shí)踐操作，實(shí)驗(yàn)前可以先由教師選有代表性的題目在計(jì)算機(jī)上對(duì)學(xué)生進(jìn)行演示，以便學(xué)生理解本次實(shí)驗(yàn)的主要目的，然后由同學(xué)們自己現(xiàn)場(chǎng)操作，同時(shí)針對(duì)學(xué)生在仿真過程中遇到的問題進(jìn)行解答。這樣既加深了同學(xué)們對(duì)這門課程的理解和掌握，又解決了學(xué)生課后無法進(jìn)一步了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的問題[4]。

3 實(shí)例應(yīng)用與分析

系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件為閉環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)全部分布在S平面的左半平面，但由于求解特征方程的根很困難，計(jì)算工作量相當(dāng)大，因此產(chǎn)生了例如勞斯判據(jù)、赫爾維茨判據(jù)等一系列的穩(wěn)定性判據(jù)。然而，在MATLAB中，可利用pzmap函數(shù)直接繪出系統(tǒng)的零極點(diǎn)分布圖，從而十分直觀地判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，省去大量的計(jì)算，而把精力主要放在穩(wěn)定條件和穩(wěn)定性判斷方法的理解上。

例如二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)如下所示：

試判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

鍵入如上命令可得該系統(tǒng)的極零點(diǎn)分布圖，從圖1中可以很容易判斷出系統(tǒng)是穩(wěn)定的[5]。

圖1 系統(tǒng)極零點(diǎn)分布圖

4 結(jié)論

根據(jù)當(dāng)前教育對(duì)人才培養(yǎng)目標(biāo)的新要求, 《控制工程基礎(chǔ)》的教學(xué)改革也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，適應(yīng)教育時(shí)代發(fā)展的新要求。其中在教學(xué)過程中引入MATLAB仿真是改善《控制工程基礎(chǔ)》課程教學(xué)環(huán)境的重要手段。這種動(dòng)態(tài)教學(xué)方法可以降低控制理論的抽象性，有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂的教學(xué)效率，豐富教學(xué)內(nèi)容，也便于學(xué)生的課下復(fù)習(xí)，提高學(xué)生對(duì)該課程學(xué)習(xí)的興趣，從而提高學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科研能力。

[1]劉嬋媛,凡春芳.基于《控制工程基礎(chǔ)》的CAI課件開發(fā)與應(yīng)用[J].機(jī)械管理開發(fā),2006, 10 (5): 153～154

[2]伍星, 郝惠娣, 翟惠榮,等. 淺談“現(xiàn)代控制系統(tǒng)”課程中的MATLAB教學(xué)[J]. 高等理科教育,2003,5:44～47

[3]劉進(jìn)志,張學(xué)龍,潘存治. 淺析MATLAB在《控制工程基礎(chǔ)》教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 決策管理, 2009, (7):80～81

[4]劉向明.《控制工程基礎(chǔ)》教學(xué)中的計(jì)算機(jī)應(yīng)用方法[J]. 武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào),2009,6:92～94

[5]李長(zhǎng)杰. MATLAB及其在電路與控制理論中的應(yīng)用［M］. 合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2004

Application of MATLAB Software in Promoting Teaching Reform and Practice in Mechanical Control Engineering Basis

Dong Jinbo1，REN Sijing21.Mechanical Engineering College, Heilongjiang Institute of Science and Technology , Harbin,150027,China；2. Electronics and Information Engineering College, Heilongjiang Institute of Science and Technology， Harbin, 150027, China

Mechanical control engineering basis is a critical specialized basic course for students of mechanical engineering. MATLAB software is introduced to solve the problems of abstract and profound theory, huge drawing quantity and complicated calculation in the course of mechanical control engineering. Some improving measures is put up on traditional teaching mode combining modern teaching approaches to make teaching and simulation experiment close combination ,which greatly promote students’ initiative, comprehensive quality and ability in solving practical engineering problems.

G434; Document code: A

G434;

A;

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.01.068

董金波(1978-), 黑龍江省海倫市人,講師,碩士,主要從事智能系統(tǒng)、機(jī)電一體化等方面的研究。