ＭＡＴＬＡＢ在《機械控制工程基礎》教學中的應用

摘要：簡要介紹MATLAB軟件及其控制系統工具箱的功能，并通過具體實例說明MATLAB軟件在《機械控制工程基礎》課程教學中的優越性，從多方面探討在教學過程中，如何更好地利用MATLAB軟件。

關鍵詞：MATLAB；機械控制工程基礎；教學應用

隨著上世紀60年代以后世界科技的迅猛發展，作為“三論”(控制論、系統論、信息論)之一的控制論得到了進一步的發展?？刂普摰挠^點和思維方法向各個學科和專業滲透，也給機械工程這個古老的專業注入了新的活力?！稒C械工程控制基礎》作為機電專業的一門專業基礎課，課程的教學內容逐漸擴展，開始從純粹的經典控制理論教學擴展到包括現代控制和數字控制的基本知識等內容。針對其具有計算性強、繪圖工作量大的特點，在教學改革方面廣泛使用計算機輔助教學手段，特別是使用成熟的工程軟件，例如MATLAB，已成為該課程的理論教學和實驗教學的必行之路。

MATLAB軟件中控制系統工具箱簡介

MATLAB的名稱源自Matrix Laboratory，它是一種科學計算軟件，專門以矩陣的形式處理數據。MATLAB將高性能的數值計算和可視化集成在一起，并提供了大量的內置函數，從而被廣泛地應用于科學計算、控制系統、信息處理等領域的分析、仿真和設計工作，而且利用MATLAB產品的開放式結構，可以非常容易地對MATLAB的功能進行擴充。

控制系統工具箱是MATLAB軟件包中專門針對控制系統工程設計的函數和工具的集合，主要用于反饋控制系統的分析、設計和仿真，所涉及的領域涵蓋經典控制理論和現代控制理論的大部分內容，包括根軌跡、極點設置和線性二次最優控制器設計等?？刂葡到y工具箱既可適用于連續時間系統，也適用于離散時間系統，并且可以實現不同模型之間的相互轉換。用戶還能夠輕松地繪制系統的時域或頻域響應和開環系統的根軌跡圖。MATLAB自身提供的開放式環境，可以讓用戶通過M文件建立自己的控制模型和控制算法。

MATLAB的優越性

《機械工程控制基礎》主要包括時域分析、頻域分析、穩定性分析、根軌跡分析、系統校正等。下面以時域分析中的一個具體實例比較說明MATLAB在《機械工程控制基礎》教學中應用的優越性。

典型二階系統的傳遞函數如下所示：

式中，ωn是自然頻率，ξ是阻尼系數。試繪制當時，ωn＝3、6、9、12時系統的單位階躍響應曲線，并說明自然頻率對系統響應的影響。

傳統的方法為：利用部分分式展開法，進行拉普拉斯反變換，直接求出每個ωn時，系統的瞬態響應；然后根據不同時刻的ｔ值，求出對應的輸出，再繪出系統在不同ωn下的響應曲線。該方法繁瑣，計算量大，而且無法繪出準確的響應曲線。

而利用MATLAB軟件則可以很容易地繪出準確的響應曲線，并清晰地看出它們之間的關系。方法為：新建一個M文件，程序如下框圖1，響應曲線如圖2所示。由曲線圖可以很清晰地看出典型的二階系統在阻尼比為定值時，其響應速度隨著自然頻率的增大而更加迅速。

MATLAB在《機械工程

控制基礎》教學中的應用

目前，美國等發達國家高等院校的工科類學生已把MATLAB作為必修課，實驗室通常都配備裝有MATLAB的計算機供學生學習和研究使用。學生的許多作業都可以在計算機上使用MATLAB來完成，這些硬條件為課程的教學帶來了極大的靈活性和便利性。

《機械控制工程基礎》是建立在經典控制理論基礎上，結合機械工程中的控制應用，課程內容比較抽象，尤其是課程中的許多章節的內容，需要通過復雜的計算和作圖才能理解有關概念和原理，教學質量難以提高。

鑒于此，為進一步提高《機械控制工程基礎》的教學效果，筆者認為可以從以下幾個方面做出努力：

首先，從課程設置上，建議給機電專業低年級學生開設計算機應用教程時，把MATLAB的基礎知識作為此課程的重要內容。使得學生能夠掌握使用MATLAB這類工程計算軟件的基本技術，包括基本數學計算、矩陣處理、計算結果的可視化和符號運算等。

其次，選擇合適的教材。課程內容應緊密結合當前機械工程學科發展的趨勢，不僅要注重控制理論基本內容，而且還要側重于系統性強、有工程實際意義的實例，并且將MATLAB引入教學中。在MATLAB環境下，繪制系統的頻率特性曲線和幅相頻率特性曲線；繪制開環系統與閉環系統的階躍響應和脈沖響應曲線等內容相當容易實現，學生將不需要把很多的時間和精力花費在計算和手工繪圖上，可以投入更多的精力去思考控制工程各種方法的要領，以達到更好的教學效果。

再次，充分利用實驗和SIMULINK的圖形化仿真環境。設計一些有典型代表意義的仿真實驗，幫助學生學習復雜的機電控制系統的數學模型建立、系統動特性分析與經典的ＰＩＤ控制原理。

最后，教師在推動MATLAB的教學應用中起著相當重要的作用。教師應該通過應用MATLAB進行科研來提高自身的水平，做到科研與教學相長。MATLAB在機械設計制造與自動化領域的應用潛力極大，尤其在機械控制工程課程教學過程中的應用，僅僅是開始，仍需要做大量的工作。

參考文獻：

[1]楊叔子，楊克沖等．機械工程控制工程基礎[Ｍ]．武漢：華中科技大學出版社，2004．

[2]飛思科技產品研發中心．MATLAB7輔助控制系統設計與仿真[Ｍ]．北京：電子工業出版社，2005．

作者簡介：

顧玉萍（1979—），女，江蘇泰州人，碩士，研究方向為機電工程、CAD/CAM。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”