首页 -> 2007年第4期
ＭＡＴＬＡＢ在《机械控制工程基础》教学中的应用
作者：顾玉萍 石剑锋
关键词：MATLAB；机械控制工程基础；教学应用
随着上世纪60年代以后世界科技的迅猛发展，作为“三论”(控制论、系统论、信息论)之一的控制论得到了进一步的发展。控制论的观点和思维方法向各个学科和专业渗透，也给机械工程这个古老的专业注入了新的活力。《机械工程控制基础》作为机电专业的一门专业基础课，课程的教学内容逐渐扩展，开始从纯粹的经典控制理论教学扩展到包括现代控制和数字控制的基本知识等内容。针对其具有计算性强、绘图工作量大的特点，在教学改革方面广泛使用计算机辅助教学手段，特别是使用成熟的工程软件，例如MATLAB，已成为该课程的理论教学和实验教学的必行之路。
MATLAB软件中控制系统工具箱简介
MATLAB的名称源自Matrix Laboratory，它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用MATLAB产品的开放式结构，可以非常容易地对MATLAB的功能进行扩充。
控制系统工具箱是MATLAB软件包中专门针对控制系统工程设计的函数和工具的集合，主要用于反馈控制系统的分析、设计和仿真，所涉及的领域涵盖经典控制理论和现代控制理论的大部分内容，包括根轨迹、极点设置和线性二次最优控制器设计等。控制系统工具箱既可适用于连续时间系统，也适用于离散时间系统，并且可以实现不同模型之间的相互转换。用户还能够轻松地绘制系统的时域或频域响应和开环系统的根轨迹图。MATLAB自身提供的开放式环境，可以让用户通过M文件建立自己的控制模型和控制算法。
MATLAB的优越性
《机械工程控制基础》主要包括时域分析、频域分析、稳定性分析、根轨迹分析、系统校正等。下面以时域分析中的一个具体实例比较说明MATLAB在《机械工程控制基础》教学中应用的优越性。
典型二阶系统的传递函数如下所示：
式中，ωn是自然频率，ξ是阻尼系数。试绘制当时，ωn＝3、6、9、12时系统的单位阶跃响应曲线，并说明自然频率对系统响应的影响。
传统的方法为：利用部分分式展开法,进行拉普拉斯反变换,直接求出每个ωn时，系统的瞬态响应；然后根据不同时刻的ｔ值,求出对应的输出,再绘出系统在不同ωn下的响应曲线。该方法繁琐,计算量大,而且无法绘出准确的响应曲线。
而利用MATLAB软件则可以很容易地绘出准确的响应曲线，并清晰地看出它们之间的关系。方法为：新建一个M文件，程序如下框图1，响应曲线如图2所示。由曲线图可以很清晰地看出典型的二阶系统在阻尼比为定值时，其响应速度随着自然频率的增大而更加迅速。
MATLAB在《机械工程
控制基础》教学中的应用
目前，美国等发达国家高等院校的工科类学生已把MATLAB作为必修课，实验室通常都配备装有MATLAB的计算机供学生学习和研究使用。学生的许多作业都可以在计算机上使用MATLAB来完成，这些硬条件为课程的教学带来了极大的灵活性和便利性。
《机械控制工程基础》是建立在经典控制理论基础上，结合机械工程中的控制应用，课程内容比较抽象，尤其是课程中的许多章节的内容，需要通过复杂的计算和作图才能理解有关概念和原理，教学质量难以提高。
鉴于此，为进一步提高《机械控制工程基础》的教学效果，笔者认为可以从以下几个方面做出努力：
首先，从课程设置上，建议给机电专业低年级学生开设计算机应用教程时，把MATLAB的基础知识作为此课程的重要内容。使得学生能够掌握使用MATLAB这类工程计算软件的基本技术，包括基本数学计算、矩阵处理、计算结果的可视化和符号运算等。
其次，选择合适的教材。课程内容应紧密结合当前机械工程学科发展的趋势，不仅要注重控制理论基本内容，而且还要侧重于系统性强、有工程实际意义的实例，并且将MATLAB引入教学中。在MATLAB环境下，绘制系统的频率特性曲线和幅相频率特性曲线；绘制开环系统与闭环系统的阶跃响应和脉冲响应曲线等内容相当容易实现，学生将不需要把很多的时间和精力花费在计算和手工绘图上，可以投入更多的精力去思考控制工程各种方法的要领，以达到更好的教学效果。
再次，充分利用实验和SIMULINK的图形化仿真环境。设计一些有典型代表意义的仿真实验，帮助学生学习复杂的机电控制系统的数学模型建立、系统动特性分析与经典的ＰＩＤ控制原理。
最后，教师在推动MATLAB的教学应用中起着相当重要的作用。教师应该通过应用MATLAB进行科研来提高自身的水平，做到科研与教学相长。MATLAB在机械设计制造与自动化领域的应用潜力极大，尤其在机械控制工程课程教学过程中的应用，仅仅是开始，仍需要做大量的工作。
参考文献：
[1]杨叔子，杨克冲等．机械工程控制工程基础[Ｍ]．武汉：华中科技大学出版社，2004．
[2]飞思科技产品研发中心．MATLAB7辅助控制系统设计与仿真[Ｍ]．北京：电子工业出版社，2005．
作者简介：
顾玉萍（1979—），女，江苏泰州人，硕士，研究方向为机电工程、CAD/CAM。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
本文为全文原貌 请先安装PDF浏览器
原版全文