虛擬仿真技術在《機械工程控制原理》中的教學改革

蔡容　王華敏

【摘要】分析當前獨立學院工科專業(yè)學生對于機械工程控制原理課程的學習現(xiàn)狀，并提出了相應的改革對策，以目前較強大的虛擬仿真教學軟件Matlab為依托工具，對其進行教學改革，使得《機械工程控制原理》課程的教學效果得到極大的改善。

【關鍵詞】《機械工程控制原理》；虛擬仿真技術；Matlab；教學改革

1、引言

2014年獨立學院在轉(zhuǎn)型設為獨立設置高校時，國務院鼓勵其定位成應用技術類型高等學校，對于獨立院校的教育問題也就成為了以就業(yè)為導向的“就業(yè)教育”，其教育重任即是為社會培養(yǎng)應用型、技能型、工藝型人才的，因而在教學過程中應加強學生的動手能力培養(yǎng)和職業(yè)技能方面的訓練[1]。近年來對于《機械工程控制原理》的教學改革研究正在逐步開展，在其教學過程中需重點加強理論和實踐的結合，這就對學生提出了更高的要求，學生不僅要在課堂上學好基礎理論知識，還要豐富強化自己的實際動手能力，從而使學生加強對理論知識點的理解。如何讓學生更好的掌握《機械工程控制原理》這門機械專業(yè)的重點課程，本課題組提出將虛擬仿真技術與其他先進的教學方法相結合，發(fā)現(xiàn)該教學方法有助于提高該課程的教學效果，并且虛擬仿真教學的成本較低、效率卻比較高，可以讓學生不受到場地和設備的限制，有機會掌握更多的實踐技能，取得更好的教學效果[2-3]。

2、機械工程控制原理的學情分析及改革對策

《機械工程控制原理》這門課程理論性強，學生大多數(shù)感到難學，同樣的教師也會覺得難教，主要由于該課程所涉及的數(shù)學基礎知識比較廣泛，抽象概念多，教學過程容易枯燥。本課程主要涉及經(jīng)典控制理論部分，主要教學內(nèi)容包括了以下方面： 系統(tǒng)數(shù)學模型的建立；系統(tǒng)的時間響應分析；系統(tǒng)的頻率特性分析； 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析；系統(tǒng)的性能分析與校正。由于課程內(nèi)容較為抽象，如果脫離具體的實際機械工程對象完全只作純粹的理論教學，學生將很難理解和接受，所以完全由必要將理論教學和虛擬仿真實驗相結合起來，使教學過程更加具有針對性和具體性。

另外，獨立院校工科專業(yè)的學生的數(shù)理基礎相對薄弱，教學計劃中也不可能花大量的時間來講解數(shù)理內(nèi)容，相對于弱化了部分數(shù)理知識的要求。而通過本人這幾年帶《機械工程控制原理》這門課程的經(jīng)驗來看，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的教學過程中，學生要較好的理解書中的概念，必備條件是具有良好的數(shù)學基礎，這種強調(diào)數(shù)學基礎的教學方法的教學效果非常不好，大多數(shù)同學由于基礎薄弱，邏輯推理能力較低，面對復雜公式推導求解過程時都望而卻步，甚至不愿意再去認真聽課，導致最后對這門課失去興趣，并且一些工程中的數(shù)據(jù)處理是非常復雜的，人工計算很難實現(xiàn)，像精確的畫系統(tǒng)的Nyquist圖、Bode圖、對系統(tǒng)進行校正等都需要大量的計算。顯然這種傳統(tǒng)的教學方法不適用獨立院校的學生。所以為了減少學生對模型的分析求解問題的畏懼感，非常有必要引入虛擬仿真軟件，這樣學生能夠獨立地完成較復雜的模型求解，計算結果也比較直觀，便于理解，學生的學習興趣就更加濃厚。

針對學生在學習《機械工程控制原理》中出現(xiàn)的問題，在教學過程中充分利用現(xiàn)有教學資源，加強物理實驗和仿真環(huán)節(jié)的教學，這不僅使他們加強對抽象概念的理解，而且會使其在學習過程中體會到虛擬仿真技術在工程設計中所起的作用，提高主動性和積極性。

3、以Matlab作為虛擬仿真工具進行教學改革的可行性分析

工程問題的分析計算及圖示離不開計算語言，但通常的Fortran、Basic和C等語言用起來并不方便。從20世紀80年代起，出現(xiàn)了科學計算語言，也就是數(shù)學軟件，因其具有高效、簡潔及可視化等特點，在高等工程教育及科學與工程計算中，正迅速取代傳統(tǒng)的Fortran、Basic等語言。在自動控制領域內(nèi)，Matlab語言是當今目前最具影響力和活力的軟件之一，是一種以矩陣運算為基礎的交互式程序語言，能夠滿足科學、工程計算和繪圖的要求，具有其他軟件無法替代的地位。Matlab因為容易處理矩陣、輕松繪圖、編程簡潔、可擴展性強等優(yōu)點、更重要的是Matlab的入門較簡單，學生完全可以自學相關內(nèi)容，有利于學生學生的使用，所以將Matlab軟件引入《機械工程控制原理》的教學中是完全可行的。

在機械工程控制原理的教學過程中引入Matlab進行輔助教學后，可以將教學的重點放在數(shù)學模型的建立，而繁瑣的計算和繪圖由Matlab來完成。課程的內(nèi)容可以優(yōu)化為三大部分，即：建立數(shù)學模型組成控制系統(tǒng)；分析系統(tǒng)，主要是時域法和頻率特性法；設計系統(tǒng)。這三個部分均可以利用Matlab軟件，建模部分用Matlab軟件進行拉氏變換、微分方程的求解等。分析部分充分體現(xiàn)了Matlab軟件的強大輔助教學作用，可方便的繪制各種相應的曲線（Nyquist圖、Bode圖和Nichols圖），觀察各參數(shù)的變化對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)特性的影響。在設計部分的教學中，主要是系統(tǒng)的校正，學生在教師的指導下，總結歸納出控制系統(tǒng)的分析方法，用工程案例（實際工程問題）的形式將建立模型、分析系統(tǒng)和設計系統(tǒng)有機聯(lián)系起來，這一部分既需要學生用掌握的已有知識、機理方法手算推導，還要利用Matlab進行校正分析，這樣使學生較完整地初步將機械工程控制理論和設計問題相結合。

此外還可以利用Matlab的動態(tài)仿真工具simulink實現(xiàn)機械工程控制系統(tǒng)的建模和仿真，從而來提高分析問題及解決問題的能力。

4、虛擬仿真實例

本文以對控制系統(tǒng)進行頻域特性分析為例，描述其虛擬仿真過程。頻域分析法作為一種經(jīng)典分析方法，是用頻域特性研究系統(tǒng)的，是研究系統(tǒng)在正弦信號下的穩(wěn)態(tài)響應特性。利用這種方法可直觀的表達出系統(tǒng)的特性，分析方法比較簡單，物理概念明確。頻率曲線主要包括三種： Nyquist圖、Bode圖和Nichols圖。

在Matlab中繪制系統(tǒng)的Nyquist圖可采用如下函數(shù)調(diào)用：

舉例如下：已知有一控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 ，繪制Nyquist圖，并通過Nyquist圖判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

num=[2 6]；

den=[1 2 5 2]；

[z，p，k]=tf2zp（num，den）； p

nyquist（num，den）

4-1開環(huán)極點的顯示結果及Nyquist圖

（下轉(zhuǎn)116頁）

（上接114頁）極點的顯示結果與相應的Nyquist圖如圖4-1所示。根據(jù)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)判斷其開環(huán)系統(tǒng)在右半平面的極點數(shù)P=0，Nyquist曲線逆時針包圍（-1，j0）0圈，所以閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定。

p =

-0.7666 + 1.9227i

-0.7666 - 1.9227i

-0.4668

由仿真結果來看，通過輸入程序，就可以得到相應的Nyquist圖，通過分析開環(huán)系統(tǒng)的Nyquist圖判斷系統(tǒng)是穩(wěn)定的，并且通過Matlab計算出該系統(tǒng)的所有極點都在左半平面，再一次印證了系統(tǒng)是穩(wěn)定的，簡化了繁瑣的數(shù)學計算過程，并且可以直觀的觀察分析結果。

結論：

本文提出以目前較強大的虛擬仿真教學軟件Matlab為計算工具，對獨立院校的機械專業(yè)重點學科課程——《機械工程控制原理》進行教學改革研究。通過分析學生的學習特點，簡化繁雜的數(shù)學推導過程，與仿真實驗相結合，有利于激發(fā)學生的學習興趣。

參考文獻：

[1]尚志武，劉國華，贠今天.機械工程控制基礎課程教學改革研究[J].新課程研究（中旬刊），2014（12）：56-57.

[2]鐘志賢，楊桂華.“虛實結合”的《機械工程控制基礎》課堂教學改革實踐[J].科技創(chuàng)新報，2015，12（09）：97-98.

[3]張業(yè)明，張燕，呂鯤.提高“機械工程控制基礎”課程教學質(zhì)量的探討[J].中國電力教育，2013（16）：102-103.