摘要：通過(guò)示例介紹了CAD軟件與MATLAB進(jìn)行聯(lián)合建模及仿真分析的步驟，展示了聯(lián)合建模的直觀性和便利性，為以后機(jī)械課堂信息化教學(xué)組織提供方向。

關(guān)鍵詞：CAD;MATLAB;教學(xué)

0? 引言

機(jī)械原理、控制理論不管是在?？苹蚴潜究圃盒Ｖ?，都是機(jī)械學(xué)科中一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。機(jī)械原理課程直接研究機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、自由度、運(yùn)動(dòng)的一門課程;控制理論則是以具體的系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)研究對(duì)象模型進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，研究各種控制理論及控制算法的課程。

控制理論主要是研究不同控制算法的，而評(píng)判一種控制方法的好壞，主要是通過(guò)其系統(tǒng)控制效果的快速性、穩(wěn)定性、魯棒性等特點(diǎn)。而系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性、抗干擾能力等，這些都是比較抽象的概念，不便于老師教學(xué)亦不便于學(xué)生理解接受。在教學(xué)過(guò)程中，若是能將這些抽象的概念具體化，以直觀的形式呈現(xiàn)出來(lái)，這樣老師講起來(lái)方便，更便于學(xué)生的理解。此外，智能化信息化的發(fā)展與推進(jìn)，CAD與 CAE技術(shù)也快速發(fā)展，其中 CAE計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)技術(shù)也正逐漸在高校中得以應(yīng)用推廣[1-3]。

基于以上分析，在控制教學(xué)中引入仿真軟件，本文以Pro/E和MATLAB軟件為計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)工具，利用三維軟件畫出簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)Pro/E與SimMechanics接口插件，將模型信息導(dǎo)入MATLAB中，通過(guò)加入不同的控制算法，可通過(guò)三維動(dòng)畫顯示，將系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性、抗干擾能力等直觀的展現(xiàn)。

1? 研究對(duì)象建模

SimMechanics 是MATLAB中一種新的可以實(shí)現(xiàn)物理建模的模塊，其組合建?？蚣芸梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)繁雜機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化。SimMechanics 工具箱內(nèi)嵌模塊有多種能夠在Simulink仿真環(huán)境下直接選取使用的單元，在SimMechanics 工具箱中進(jìn)行模塊的選取與搭建，可以直接在Simulink窗口中搭建研究對(duì)象模型。為了加入控制模塊進(jìn)行仿真，還需加入連接紐帶：檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)模塊，用以將SimMechanics 中組建的研究對(duì)象物理模型和普通的Simulink 仿真模塊進(jìn)行關(guān)聯(lián)。 此外，Simulink自身的動(dòng)態(tài)仿真性能，在得到系統(tǒng)整體仿真結(jié)果的同時(shí)，可實(shí)時(shí)呈現(xiàn)仿真過(guò)程的動(dòng)畫圖形。在SimMechanics 模塊中搭建系統(tǒng)模型簡(jiǎn)單方便，通過(guò)模塊拖拽進(jìn)行搭接，便可快速得到系統(tǒng)模型，進(jìn)行各種機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)仿真分析，并且將仿真結(jié)果實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展現(xiàn)[4]。

1.1 三維模型

首先利用三維軟件的繪圖功能，畫出研究對(duì)象各部件模型，按照運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行約束裝配，建立研究對(duì)象的物理模型。在CAD中完成三維模型繪制后，通過(guò)CAD中預(yù)先安裝的SimMechanics Link接口插件，將模型信息以.XML 文件形式導(dǎo)出保存，接著打開MATLAB 軟件，在MATLAB中導(dǎo)入這個(gè).XML 模型文件?？梢钥吹?，MATLAB中根據(jù)之前的.XML 文件自動(dòng)生成了所繪研究對(duì)象的SimMechanics仿真模型框圖，對(duì)自動(dòng)生成的模型進(jìn)行運(yùn)行，檢查模型是否存在錯(cuò)誤，各模塊質(zhì)量、位置是否準(zhǔn)確，其流程如圖1所示。

1.2 MATLAB仿真模型

此處與傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)推倒計(jì)算建模方式不同，MATLAB作為一種全新的建模方式，可以快速地對(duì)各種機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模，面對(duì)復(fù)雜、數(shù)學(xué)計(jì)算量大的系統(tǒng)，更能體現(xiàn)通過(guò)SimMechanics建模的便利性。SimMechanics工具箱本身提供了一系列快速建模模塊，通過(guò)拖拽工具箱中的模塊，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，可以快速將系統(tǒng)中各零件及其連接關(guān)系在Simulink窗口中表示出來(lái)，并通過(guò)SimMechanics工具箱中的檢測(cè)與驅(qū)動(dòng)模塊完成與普通Simulink各模塊的聯(lián)接，搭建形成一個(gè)完整的系統(tǒng)模型。

在MATLAB工作窗口中輸入指令，找到前面保存的.XML倒立擺模型文件，導(dǎo)入Simulink中直接生成研究對(duì)象初始仿真模型，如圖2中藍(lán)色邊框模塊所示。此時(shí)導(dǎo)入的模型只是物理機(jī)械模型，還需加入控制器與Simulink環(huán)境中各模塊進(jìn)行關(guān)聯(lián)控制，如：測(cè)試、檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)等模塊，形成完整的控制仿真系統(tǒng)。如圖2中的綠色邊框單元，以便完成控制仿真設(shè)計(jì)。圖2中紫色模塊用來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)模型初始值的設(shè)置。

2? 仿真

加載到Matlab中的SimMechanics物理模型就相當(dāng)于實(shí)際的研究對(duì)象，在Simulink窗口中進(jìn)行仿真時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)行反饋計(jì)算控制。仿真過(guò)程通過(guò)加入編碼器、驅(qū)動(dòng)模塊等進(jìn)行交互。Simulink界面中點(diǎn)擊運(yùn)行后，軟件界面會(huì)自動(dòng)彈出三維模型實(shí)時(shí)仿真圖，如圖3，與用CAD繪制的模型完全一致，更加立體、直觀地顯示出仿真過(guò)程，包括系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性等。

3? 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)三維軟件與仿真軟件聯(lián)合建模仿真，在實(shí)際工程中大大簡(jiǎn)短了工作時(shí)間和工作量。將其運(yùn)用于教學(xué)中，符合信息化教學(xué)的要求，改變傳統(tǒng)文字理論教學(xué)的形式，豐富課堂環(huán)節(jié)，并且將抽象、復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)三維動(dòng)畫直觀呈現(xiàn)，既調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性、提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及課堂教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生更好理解掌握理論知識(shí)，亦培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)多種軟件解決問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳慧鵬，陳國(guó)金.《機(jī)械原理》教學(xué)中Pro/E與Simmechanics的應(yīng)用[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)（自科版），2013，10（22）：135-137.

[2]余冬玲，熊家凱，袁明.ADAMS在機(jī)械原理實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用[J].科教文匯（上旬刊），2018（10）：57-58.

[3]李俏，伍先明，王鵬程，黃永程.Adams在機(jī)械原理課程教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2018，33（11）：55-56，165.

[4]張新榮，馬杰，張才斗，等.基于MATLAB倒立擺可視化建模仿真與控制[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2018，39（10）：3214-3219.