淺談MATALB在機械工程領域的應用

崔淵博 郭佳民 李楷

摘 要：近年來，計算機軟件技術的飛速發展極大地推動了機械工程學科的發展，使得這門歷史悠久的學科煥發出新的光輝。多種類型的軟件的普及著實方便了機械工程領域人員的科研工作，不僅使他們從繁重的計算、尺規作圖中解放出來，而且提高了計算結果的準確性和作圖的速度、質量。MATLAB作為一款優秀的商業數學軟件，在機械工程領域的應用非常廣泛，理應成為機械工程專業學生的得力助手。

關鍵詞：MATLAB；機械工程

近年來，計算機軟件技術的飛速發展極大地推動了機械工程學科的發展，使得這門歷史悠久的學科煥發出新的光輝。多種類型優秀軟件的開發、普及著實方便了機械工程領域人員的科研工作，不僅使他們從繁重的計算、尺規作圖中解放出來，而且提高了計算結果的準確性和作圖的質量。甚至有些數據處理工作沒有計算機軟件的參與是很難完成的，即使人們能完成這些工作，也要花費大量的時間和精力，比如機械設計中的優化問題，它可以借助計算機軟件準確而快速地得到最優值。大量計算機繪圖軟件的出現也在制圖領域掀起了一場革命性的風暴，人們可以不借助畫板和圖紙，直接在計算機里作圖，不僅方便快捷，而且精度有了很大的提高，在這些基礎上，很多大型企業實現了機械零件制造無紙化，而是直接由計算機三維零件模型制造出要加工的零件，比如美國飛機制造商波音公司就要求下游零件供應商只能提供零件的三維模型，而不是紙質工程圖紙。

MATLAB誕生的初衷就是為了使科技工作者從繁重的數值計算中解放出來。MATLAB是matrix和laboratory兩個詞前三個字母的組合，意為矩陣工廠（也可稱作矩陣實驗室），是由美國mathworks公司推出的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。它將數值分析、算法開發、矩陣計算、數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的、交互式的視窗環境中，為科學研究、工程計算、自動控制設計、信號處理與通訊、信號檢測工程設計、流體力學、機械設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案。

MATLAB作為一款優秀的商業數學軟件，在機械工程領域的應用非常廣泛，并且隨著人們對二者應用開發的深入探索，它與機械工程學科的結合有更加緊密的趨勢。它可以用來編寫用于計算復雜系統的MATLAB程序，比如齒輪、凸輪以及機床傳動系統的設計計算程序，并且這些用MATLAB語言編寫的程序可以利用MATLAB編譯器和C/C++數學庫和圖形庫，將自己的MATLAB程序自動轉換為獨立于MATLAB運行的C和C++代碼，同時MATLAB極其強大的可移植性、可拓展性允許用戶編寫可以和MATLAB進行交互的C或C++語言程序。它內嵌的Simulinks模塊可以用來進行機構的仿真計算，這部分的功能和MSC. ADAMS等其它機構仿真軟件相似，但是MATLAB具有后者無法相比的強大數據計算、處理能力，可以進行更加復雜的數據分析計算。MATLAB在機械控制技術領域的應用也非常廣泛，它的控制系統工具箱為系統的建模、分析和計算提供了比較完整的設計方案，可以方便地用其自帶的函數對線性連續系統的時間響應進行仿真計算，繼而求出系統的傳遞函數、頻域特征和時域特征等瞬態性能指標，還可以精確地繪制系統的Nyquist圖、Bode圖，也可以精確地繪制出傳遞函數、激勵函數以及響應函數的函數圖像。MATLAB在機械工程領域的另一個重要應用就是機械優化設計，它可以高效精確地進行有約束優化問題、無約束優化問題、凸規劃問題、線性規劃問題以及求極值問題的求解計算，從而解決多種機械優化設計問題，如平面連桿機構、齒輪減速器和機床傳動系統等的優化設計問題。以上只是介紹了MATLAB眾多應用領域的冰山一角，其性能之高由此可見一斑，如果可以熟練、正確地掌握MATLAB應用方法，那么我們不僅可以得到更為準確的結果，而且可以節省大量的計算和繪圖時間，從而投入更多的精力去思考更多理論性的問題，而不是在這種體力勞動性質的繁瑣工作上浪費時間。

在我國，關于MATLAB與機械工程領域的結合的研究還比較少，遠遠落后于美歐日等科技強國，對其在高校的教育不夠重視是眾多原因之一。要成為一名優秀的機械工程學科的學生，不熟練掌握幾種建模、仿真、數學計算軟件是不可想象的。而問題恰恰出在這里，拿MATLAB來說，國內高校開設MATLAB教學課程的機械工程專業較少，即使開設，也很少有機械工程院系把它當做必選課，這直接導致很少有學生掌握甚至是了解這個優秀科學計算軟件。近年來MATLAB在機械工程學科的應用價值日益凸顯，以致其重要程度可以和AutoCAD、SolidWorks相提并論，尤其在機械設計、機械儀表和自動控制方向更是如此，因此筆者認為機械工程院系應該給MATLAB的教學以更大程度上的重視，加大對它的教育力度，這樣才能為學生的進一步學習奠定良好的基礎，才能使學生保持強大的競爭力。

參考文獻

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[2] 梁叔子. 機械工程控制技術基礎. 華中科技大學

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