董金波 任思璟

1,黑龍江科技學院機械工程學院,哈爾濱 150027； 2,黑龍江科技學院電氣與信息工程學院,哈爾濱 150027

運用MATLAB仿真軟件促進《機械控制工程基礎》課程教學的改革與實踐

董金波1任思璟2

1,黑龍江科技學院機械工程學院,哈爾濱 150027； 2,黑龍江科技學院電氣與信息工程學院,哈爾濱 150027

“機械控制工程基礎”是機械工程類學生一門重要的專業(yè)基礎課。為了解決機械控制工程課程內容較抽象，理論性強，繪圖量、計算量大的問題，引入了MATLAB仿真軟件。提出了在傳統(tǒng)教學模式上結合現(xiàn)代教學手段的一些改進措施，使教學與仿真實驗緊密結合起來, 大大促進了學生學習的主動性，同時還提高了學生的綜合素質和解決實際工程問題的能力。

MATLAB；機械控制工程基礎；仿真；教學改革

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

引言

“機械控制工程基礎”課程是本科高校機械工程類學生一門重要的專業(yè)基礎課程，它是利用自動控制理論的基本原理來解決機械工程中的實際問題的一門學科。該課程不僅理論性強，并有很強的工程背景。該課程的特點是其內容除涉及大量公式推導外，還有系統(tǒng)結構圖、信號流圖、伯德圖等大量繪圖。因此對于復雜控制系統(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)完整的動態(tài)控制過程，不僅大量課時被繪制圖形所占，而且達不到預期效果。而利用MATLAB軟件的分析、計算、繪圖和仿真功能可以使課堂教學直觀、形象，以便學生能夠對抽象概念和理論更好的理解，化解教學和學習難度，以便學生從繁雜的數(shù)學運算和繪圖中解脫出來，把主要精力集中在對基本理論、基本原理的理解以達到提高授課質量、培養(yǎng)學生綜合能力的目的[1]。

1 MATLAB仿真軟件的介紹

MATLAB是80年代推出的用于工程計算和數(shù)值分析交互式軟件，將高性能的數(shù)值計算和可視化集成在一起，從而被廣泛地應用于科學計算、信息處理、控制系統(tǒng)等領域的分析、仿真和設計工作。其中包含的控制系統(tǒng)工具箱是MATLAB軟件包中專門針對控制系統(tǒng)工程設計的函數(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容，包括根軌跡、極零點設置和最優(yōu)控制等。使操作者能夠輕松地繪制出系統(tǒng)的時域或頻域響應和開環(huán)系統(tǒng)的根軌跡圖等內容。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 機械工程控制基礎教學改革措施

《機械控制工程基礎》課程內容比較抽象，理論性強、概念多，若用傳統(tǒng)方式進行講授，其中公式多、系統(tǒng)結構復雜的章節(jié)學生會被一大堆概念、理論公式、復雜的方框圖搞得暈頭轉向，尤其是課程中的許多章節(jié)的內容，需要通過復雜的計算和作圖才能理解有關概念和原理，單純的講授抓不住控制系統(tǒng)要點和內在關聯(lián)使教學質量難以提高。為進一步提高《機械控制工程基礎》的教學效果，可以從以下幾個方面做出改革:

2.1 在機電專業(yè)大一、大二學生開設計算機應用教程時，提前把MATLAB軟件的基礎知識作為此課程的重要內容。使得學生能夠熟練掌握MATLAB這類工程計算軟件的基本技術，包括基本數(shù)學計算、矩陣處理、符號運算等。

2.2 將MATLAB教學充分融入課程教學中，改變以往課程一直采用“教師－黑板－學生”的課堂教學方式，減少繁復的理論推導和講解說明。由于手工作圖往往要畫大量的曲線，當考慮的因素較多時，大量的曲線很難區(qū)分，而且曲線的準確度也難以保證，因此對系統(tǒng)內部基本原理和本質的講解在整個教學中占比例很少。而MATLAB軟件的應用使教師能在課堂現(xiàn)場對大量例題快速地進行演示，重點強調基本概念的理解和應用，減少定理和公式的太細的推演過程，突出重點、難點內容，盡可能多地增加例題講解數(shù)量和時間。這種建立在MATLAB軟件強大功能基礎上的實例教學不僅大大豐富了教學的表達手段，提高了教學效果，而且相比較于枯燥的傳統(tǒng)教學方法無可比擬且無法具備的優(yōu)點，大大提高了教師與學生的互動性。學生更樂于接受這種生動活潑的教學方式，對學生不懂之處和提出的問題，教師也可用MATLAB軟件隨時予以演示和答疑。教與學的互動和反饋在課堂上就可以完成，改善了課堂的教學氣氛，明顯地提高了學生學習的主觀能動性和思維的活躍性[2]。

2.3 選擇合適的教材和多媒體課件，教材作為課前預習和課下復習的重要參考資料，它的優(yōu)劣對學生的學習效果有很大的影響。因此，在選擇教材的時候要據(jù)專業(yè)和學時的不同，選擇不同的教材。教材內容應緊密結合當前機械工程學科發(fā)展的趨勢，不僅要注重控制理論的基本內容，而且還要側重于系統(tǒng)性強、有工程實際意義的實例, 并且將MATLAB仿真與實際實例相結合，既可方便地實現(xiàn)各種參數(shù)選擇和最優(yōu)化設計，又可迅速驗證實際效果。

同時由于課時有限，學生在課后獨立操作時往往會遇到各種各樣的問題。根據(jù)這種情況，可以制作多媒體MATLAB輔導課件。課件內容涵蓋教材中全部例題、習題，并有各題涉及的知識點和題解，以便滿足不同層次學生的需要。課件的組織以教材為單元，所包含的例題均與教材相同，以便教師進行課堂教學[3]。

2.4 加強實驗教學，改變傳統(tǒng)的控制工程實驗。以往控制工程實驗多是由學生在硬件電路箱上搭建系統(tǒng)，并結合信號發(fā)生器、示波器等儀器來分析實驗現(xiàn)象。由于無法清楚看到實驗中參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響過程，實驗過后普遍感覺收獲甚微，并且學生離開實驗室，不可能再重復實驗過程，因而不能更深入的對系統(tǒng)的有關特性進行了解，這對教學是極為不利的。如果學生進行MATLAB的實踐操作，實驗前可以先由教師選有代表性的題目在計算機上對學生進行演示，以便學生理解本次實驗的主要目的，然后由同學們自己現(xiàn)場操作，同時針對學生在仿真過程中遇到的問題進行解答。這樣既加深了同學們對這門課程的理解和掌握，又解決了學生課后無法進一步了解實驗內容的問題[4]。

3 實例應用與分析

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，計算工作量相當大，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)極零點分布圖

4 結論

根據(jù)當前教育對人才培養(yǎng)目標的新要求, 《控制工程基礎》的教學改革也應與時俱進，適應教育時代發(fā)展的新要求。其中在教學過程中引入MATLAB仿真是改善《控制工程基礎》課程教學環(huán)境的重要手段。這種動態(tài)教學方法可以降低控制理論的抽象性，有效地激發(fā)學生的學習興趣，提高課堂的教學效率，豐富教學內容，也便于學生的課下復習，提高學生對該課程學習的興趣，從而提高學生分析和解決實際問題的能力，進一步培養(yǎng)學生的科研能力。

[1]劉嬋媛,凡春芳.基于《控制工程基礎》的CAI課件開發(fā)與應用[J].機械管理開發(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[J]. 高等理科教育,2003,5:44～47

[3]劉進志,張學龍,潘存治. 淺析MATLAB在《控制工程基礎》教學中的應用[J]. 決策管理, 2009, (7):80～81

[4]劉向明.《控制工程基礎》教學中的計算機應用方法[J]. 武漢工程大學學報,2009,6:92～94

[5]李長杰. MATLAB及其在電路與控制理論中的應用［M］. 合肥：中國科學技術大學出版社,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)、機電一體化等方面的研究。