機械控制工程基礎課程的Matlab實驗教學與探索

曹忠亮+姜淑鳳+郭建華+李西兵+劉尚+胡清明

摘要：針對機械控制工程基礎實驗課時，提出了Matlab軟件仿真與實驗箱相結合的實驗教學方式，用語言編制用來進行機械控制工程基礎實驗；教學應用結果表明：通過仿真與模擬實驗結果的對比分析，不僅可以彌補現有實驗箱的缺陷，而且可以讓學生發現模擬實驗中存在的錯誤，鍛煉學生分析、解決問題的能力，而且激發學生的學習興趣，為以后從事相關研究工作打下了基礎。

關鍵詞：實驗教學 機械控制工程基礎 Matlab 計算機仿真

目前，機械控制工程基礎課程的Matlab實驗教學環節還存在著一些不足和弊端：

（1）由于實驗室資金緊張，學院不能及時更新實驗室設備，學生做實驗只能分批、分時復用實驗設備。

（2）實驗內容形式老化，學生對于控制系統的參數不知如何調整，很容易造成硬件電路的損壞；不能達到實驗要求和促進課程理論教學的目。

（3）目前多數高校采用放錄像的形式讓學生進行相應的試驗學習，學生只能對實驗有一個初步的了解。

這些傳統控制箱實驗的方式對學生工程實踐能力的培養是不利的，缺乏動手能力，與國家要求的應用型人才的標準有一定的差距。因此，提出以實驗箱教學為主，同時結合Matlab軟件進行仿真教學的輔助教學模式，這種具體實驗法和虛擬仿真教學方法能很好的克服傳統模擬實驗的局限性，對機械控制工程基礎理論學習有極大的促進作用。

一、實驗內容安排

根據教學及實驗大綱的要求，對于機電學院機械電子工程和機械制造及其自動化兩個專業的學生我們設置了機械控制工程理論3個實驗，它們分別為二階系統的響應分析、系統的穩定性分析、模糊PID參數整定設計及其對比分析。這3個實驗中包含了使用Matlab及其中的Simulink進行仿真部分，也含有模擬實驗部分，下面對上述3個實驗進行介紹：

1.二階系統的響應分析

利用MATLAB分析計算=0、0.2、0.5（圖中用tao代替）時系統的響應曲線及性能指標，如圖2和表1所示。

3.模糊PID參數整定設計及其對比

工業控制中會常用到PID在線控制法，而利用模糊控制規則在線對PID參數進行修改，可以使系統的響應過程的動態和靜態特性都得到了很好的改善，對于工業上含有滯后、復雜的控制對象，常采用模糊自整定控制方法。自整定模糊PID控制器的結構如圖3所示。

模糊自整定PID是在PID算法的基礎上，建立合適的模糊控制規則表，來計算系統的誤差e和誤差變化率ec。在工業控制過程中，帶有滯后的二階對象是非常普遍的，所以采用對含有滯后的二階對象進行控制，并比較各種情況下的響應特性。

進行仿真比較兩個曲線，圖4為模糊PID與一般PID相對比曲線圖。采用Matlab軟件對系統進行仿真，仿真結果表明采用模糊自整定控制方法可以獲得比傳統的PID控制更好的控制效果。

二、實驗教學改革

高校開展“卓越工程師計劃”目的就是為了使學生把理論知識向著實際應用的方面落實。實驗的最終目的是讓學生動手多參與，多實踐，多思考，多提問，這樣才能使實驗教學達到它的意義。為了本次教學的課程改革，同時結合這門課的特點將機械控制工程基礎實驗教學模式分為三大類：（1）課程理論類；（2）驗證結論類；（3）典型實驗設計類。前兩種實驗類型還是以課程理論形式為主，如書中典型的二階系統響應特性分析、性能指標分析等，基于Matlab仿真軟件進行實驗。而典型實驗設計類型是課程改革的核心，同時也是重點。目前，國家大力提倡創新性實驗，以實際項目或設計任務為實驗教學的核心，進行教學方法和教學內容的改革，已在實際教學活動中進行了嘗試。

三、結束語

機械控制工程基礎的實驗教學是整個課程教學過程中不可缺少的部分，是重要的教學環節之一。本實驗能夠培養學生具有靈活運用計算機進行獨立分析、設計及解決實際問題能力。通過實驗教學改革培養了學生工程實踐能力，將Matlab仿真與模擬實驗有機地結合起來，不僅激發了學生創新意識，而且讓學生掌握Simulink在控制系統建模及仿真中的運用，同時使學生理論聯系實際，達到了培養創新實踐型人才的目標，便于發現實驗中存在的問題。本文論述的實驗教學改革的方法和措施具有一定的推廣應用價值，也可以擴展到其他專業課程實驗中。

參考文獻：

[1]張段芹，王輝.面向“卓越計劃”的“控制工程基礎”教學改革探索[J].中國電力教育，2013，（07）：72-73.

[2]陳新民.應用型本科的課程改革：培養目標、課程體系與教學方法[J].中國大學教育，2011，（07）：27-30.

[3]黃忠林，周向明.控制系統MATLAB計算及仿真實訓[M].北京：國防工業出版社，2006.

[4]孫亮.MATLAB語言與控制系統仿真[M].北京：北京業大學出版社，2001.