蔡容　王華敏

【摘要】分析當前獨立學院工科專業(yè)學生對于機械工程控制原理課程的學習現(xiàn)狀，并提出了相應的改革對策，以目前較強大的虛擬仿真教學軟件Matlab為依托工具，對其進行教學改革，使得《機械工程控制原理》課程的教學效果得到極大的改善。

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

1、引言

2014年獨立學院在轉(zhuǎn)型設為獨立設置高校時，國務院鼓勵其定位成應用技術(shù)類型高等學校，對于獨立院校的教育問題也就成為了以就業(yè)為導向的“就業(yè)教育”，其教育重任即是為社會培養(yǎng)應用型、技能型、工藝型人才的，因而在教學過程中應加強學生的動手能力培養(yǎng)和職業(yè)技能方面的訓練[1]。近年來對于《機械工程控制原理》的教學改革研究正在逐步開展，在其教學過程中需重點加強理論和實踐的結(jié)合，這就對學生提出了更高的要求，學生不僅要在課堂上學好基礎理論知識，還要豐富強化自己的實際動手能力，從而使學生加強對理論知識點的理解。如何讓學生更好的掌握《機械工程控制原理》這門機械專業(yè)的重點課程，本課題組提出將虛擬仿真技術(shù)與其他先進的教學方法相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)該教學方法有助于提高該課程的教學效果，并且虛擬仿真教學的成本較低、效率卻比較高，可以讓學生不受到場地和設備的限制，有機會掌握更多的實踐技能，取得更好的教學效果[2-3]。

2、機械工程控制原理的學情分析及改革對策

《機械工程控制原理》這門課程理論性強，學生大多數(shù)感到難學，同樣的教師也會覺得難教，主要由于該課程所涉及的數(shù)學基礎知識比較廣泛，抽象概念多，教學過程容易枯燥。本課程主要涉及經(jīng)典控制理論部分，主要教學內(nèi)容包括了以下方面： 系統(tǒng)數(shù)學模型的建立；系統(tǒng)的時間響應分析；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，如果脫離具體的實際機械工程對象完全只作純粹的理論教學，學生將很難理解和接受，所以完全由必要將理論教學和虛擬仿真實驗相結(jié)合起來，使教學過程更加具有針對性和具體性。

另外，獨立院校工科專業(yè)的學生的數(shù)理基礎相對薄弱，教學計劃中也不可能花大量的時間來講解數(shù)理內(nèi)容，相對于弱化了部分數(shù)理知識的要求。而通過本人這幾年帶《機械工程控制原理》這門課程的經(jīng)驗來看，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的教學過程中，學生要較好的理解書中的概念，必備條件是具有良好的數(shù)學基礎，這種強調(diào)數(shù)學基礎的教學方法的教學效果非常不好，大多數(shù)同學由于基礎薄弱，邏輯推理能力較低，面對復雜公式推導求解過程時都望而卻步，甚至不愿意再去認真聽課，導致最后對這門課失去興趣，并且一些工程中的數(shù)據(jù)處理是非常復雜的，人工計算很難實現(xiàn)，像精確的畫系統(tǒng)的Nyquist圖、Bode圖、對系統(tǒng)進行校正等都需要大量的計算。顯然這種傳統(tǒng)的教學方法不適用獨立院校的學生。所以為了減少學生對模型的分析求解問題的畏懼感，非常有必要引入虛擬仿真軟件，這樣學生能夠獨立地完成較復雜的模型求解，計算結(jié)果也比較直觀，便于理解，學生的學習興趣就更加濃厚。

針對學生在學習《機械工程控制原理》中出現(xiàn)的問題，在教學過程中充分利用現(xiàn)有教學資源，加強物理實驗和仿真環(huán)節(jié)的教學，這不僅使他們加強對抽象概念的理解，而且會使其在學習過程中體會到虛擬仿真技術(shù)在工程設計中所起的作用，提高主動性和積極性。

3、以Matlab作為虛擬仿真工具進行教學改革的可行性分析

工程問題的分析計算及圖示離不開計算語言，但通常的Fortran、Basic和C等語言用起來并不方便。從20世紀80年代起，出現(xiàn)了科學計算語言，也就是數(shù)學軟件，因其具有高效、簡潔及可視化等特點，在高等工程教育及科學與工程計算中，正迅速取代傳統(tǒng)的Fortran、Basic等語言。在自動控制領域內(nèi)，Matlab語言是當今目前最具影響力和活力的軟件之一，是一種以矩陣運算為基礎的交互式程序語言，能夠滿足科學、工程計算和繪圖的要求，具有其他軟件無法替代的地位。Matlab因為容易處理矩陣、輕松繪圖、編程簡潔、可擴展性強等優(yōu)點、更重要的是Matlab的入門較簡單，學生完全可以自學相關(guān)內(nèi)容，有利于學生學生的使用，所以將Matlab軟件引入《機械工程控制原理》的教學中是完全可行的。

在機械工程控制原理的教學過程中引入Matlab進行輔助教學后，可以將教學的重點放在數(shù)學模型的建立，而繁瑣的計算和繪圖由Matlab來完成。課程的內(nèi)容可以優(yōu)化為三大部分，即：建立數(shù)學模型組成控制系統(tǒng)；分析系統(tǒng)，主要是時域法和頻率特性法；設計系統(tǒng)。這三個部分均可以利用Matlab軟件，建模部分用Matlab軟件進行拉氏變換、微分方程的求解等。分析部分充分體現(xiàn)了Matlab軟件的強大輔助教學作用，可方便的繪制各種相應的曲線（Nyquist圖、Bode圖和Nichols圖），觀察各參數(shù)的變化對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)特性的影響。在設計部分的教學中，主要是系統(tǒng)的校正，學生在教師的指導下，總結(jié)歸納出控制系統(tǒng)的分析方法，用工程案例（實際工程問題）的形式將建立模型、分析系統(tǒng)和設計系統(tǒng)有機聯(lián)系起來，這一部分既需要學生用掌握的已有知識、機理方法手算推導，還要利用Matlab進行校正分析，這樣使學生較完整地初步將機械工程控制理論和設計問題相結(jié)合。

此外還可以利用Matlab的動態(tài)仿真工具simulink實現(xiàn)機械工程控制系統(tǒng)的建模和仿真，從而來提高分析問題及解決問題的能力。

4、虛擬仿真實例

本文以對控制系統(tǒng)進行頻域特性分析為例，描述其虛擬仿真過程。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)在正弦信號下的穩(wěn)態(tài)響應特性。利用這種方法可直觀的表達出系統(tǒng)的特性，分析方法比較簡單，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)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 ，繪制Nyquist圖，并通過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開環(huán)極點的顯示結(jié)果及Nyquist圖

（下轉(zhuǎn)116頁）

（上接114頁）極點的顯示結(jié)果與相應的Nyquist圖如圖4-1所示。根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)判斷其開環(huán)系統(tǒng)在右半平面的極點數(shù)P=0，Nyquist曲線逆時針包圍（-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)果來看，通過輸入程序，就可以得到相應的Nyquist圖，通過分析開環(huán)系統(tǒng)的Nyquist圖判斷系統(tǒng)是穩(wěn)定的，并且通過Matlab計算出該系統(tǒng)的所有極點都在左半平面，再一次印證了系統(tǒng)是穩(wěn)定的，簡化了繁瑣的數(shù)學計算過程，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大的虛擬仿真教學軟件Matlab為計算工具，對獨立院校的機械專業(yè)重點學科課程——《機械工程控制原理》進行教學改革研究。通過分析學生的學習特點，簡化繁雜的數(shù)學推導過程，與仿真實驗相結(jié)合，有利于激發(fā)學生的學習興趣。

參考文獻：

[1]尚志武，劉國華，贠今天.機械工程控制基礎課程教學改革研究[J].新課程研究（中旬刊），2014（12）：56-57.

[2]鐘志賢，楊桂華.“虛實結(jié)合”的《機械工程控制基礎》課堂教學改革實踐[J].科技創(chuàng)新報，2015，12（09）：97-98.

[3]張業(yè)明，張燕，呂鯤.提高“機械工程控制基礎”課程教學質(zhì)量的探討[J].中國電力教育，2013（16）：102-103.