淺談三維軟件與MATLAB聯合仿真在教學中的應用

摘要：通過示例介紹了CAD軟件與MATLAB進行聯合建模及仿真分析的步驟，展示了聯合建模的直觀性和便利性，為以后機械課堂信息化教學組織提供方向。

關鍵詞：CAD;MATLAB;教學

0? 引言

機械原理、控制理論不管是在專科或是本科院校中，都是機械學科中一門重要的專業基礎課程。機械原理課程直接研究機構的結構、自由度、運動的一門課程;控制理論則是以具體的系統為研究對象，通過對研究對象模型進行設計計算，研究各種控制理論及控制算法的課程。

控制理論主要是研究不同控制算法的，而評判一種控制方法的好壞，主要是通過其系統控制效果的快速性、穩定性、魯棒性等特點。而系統的快速性、穩定性、抗干擾能力等，這些都是比較抽象的概念，不便于老師教學亦不便于學生理解接受。在教學過程中，若是能將這些抽象的概念具體化，以直觀的形式呈現出來，這樣老師講起來方便，更便于學生的理解。此外，智能化信息化的發展與推進，CAD與 CAE技術也快速發展，其中 CAE計算機輔助教學技術也正逐漸在高校中得以應用推廣[1-3]。

基于以上分析，在控制教學中引入仿真軟件，本文以Pro/E和MATLAB軟件為計算機輔助教學工具，利用三維軟件畫出簡單的機械結構，通過Pro/E與SimMechanics接口插件，將模型信息導入MATLAB中，通過加入不同的控制算法，可通過三維動畫顯示，將系統的快速性、穩定性、抗干擾能力等直觀的展現。

1? 研究對象建模

SimMechanics 是MATLAB中一種新的可以實現物理建模的模塊，其組合建模框架可以實現對繁雜機械系統的設計、分析與優化。SimMechanics 工具箱內嵌模塊有多種能夠在Simulink仿真環境下直接選取使用的單元，在SimMechanics 工具箱中進行模塊的選取與搭建，可以直接在Simulink窗口中搭建研究對象模型。為了加入控制模塊進行仿真，還需加入連接紐帶：檢測與驅動模塊，用以將SimMechanics 中組建的研究對象物理模型和普通的Simulink 仿真模塊進行關聯。 此外，Simulink自身的動態仿真性能，在得到系統整體仿真結果的同時，可實時呈現仿真過程的動畫圖形。在SimMechanics 模塊中搭建系統模型簡單方便，通過模塊拖拽進行搭接，便可快速得到系統模型，進行各種機械系統的運動仿真分析，并且將仿真結果實時動態展現[4]。

1.1 三維模型

首先利用三維軟件的繪圖功能，畫出研究對象各部件模型，按照運動特性進行約束裝配，建立研究對象的物理模型。在CAD中完成三維模型繪制后，通過CAD中預先安裝的SimMechanics Link接口插件，將模型信息以.XML 文件形式導出保存，接著打開MATLAB 軟件，在MATLAB中導入這個.XML 模型文件。可以看到，MATLAB中根據之前的.XML 文件自動生成了所繪研究對象的SimMechanics仿真模型框圖，對自動生成的模型進行運行，檢查模型是否存在錯誤，各模塊質量、位置是否準確，其流程如圖1所示。

1.2 MATLAB仿真模型

此處與傳統的數學推倒計算建模方式不同，MATLAB作為一種全新的建模方式，可以快速地對各種機械系統進行建模，面對復雜、數學計算量大的系統，更能體現通過SimMechanics建模的便利性。SimMechanics工具箱本身提供了一系列快速建模模塊，通過拖拽工具箱中的模塊，進行參數設置，可以快速將系統中各零件及其連接關系在Simulink窗口中表示出來，并通過SimMechanics工具箱中的檢測與驅動模塊完成與普通Simulink各模塊的聯接，搭建形成一個完整的系統模型。

在MATLAB工作窗口中輸入指令，找到前面保存的.XML倒立擺模型文件，導入Simulink中直接生成研究對象初始仿真模型，如圖2中藍色邊框模塊所示。此時導入的模型只是物理機械模型，還需加入控制器與Simulink環境中各模塊進行關聯控制，如：測試、檢測、驅動等模塊，形成完整的控制仿真系統。如圖2中的綠色邊框單元，以便完成控制仿真設計。圖2中紫色模塊用來進行系統模型初始值的設置。

2? 仿真

加載到Matlab中的SimMechanics物理模型就相當于實際的研究對象，在Simulink窗口中進行仿真時，系統將自動進行數據轉換，進行反饋計算控制。仿真過程通過加入編碼器、驅動模塊等進行交互。Simulink界面中點擊運行后，軟件界面會自動彈出三維模型實時仿真圖，如圖3，與用CAD繪制的模型完全一致，更加立體、直觀地顯示出仿真過程，包括系統穩定性、快速性等。

3? 結束語

通過三維軟件與仿真軟件聯合建模仿真，在實際工程中大大簡短了工作時間和工作量。將其運用于教學中，符合信息化教學的要求，改變傳統文字理論教學的形式，豐富課堂環節，并且將抽象、復雜的知識點，通過三維動畫直觀呈現，既調動了學生的積極性、提高學生學習興趣及課堂教學質量，使學生更好理解掌握理論知識，亦培養學生通過學習多種軟件解決問題的能力。

參考文獻：

[1]陳慧鵬，陳國金.《機械原理》教學中Pro/E與Simmechanics的應用[J].長江大學學報（自科版），2013，10（22）：135-137.

[2]余冬玲，熊家凱，袁明.ADAMS在機械原理實踐教學中的應用[J].科教文匯（上旬刊），2018（10）：57-58.

[3]李俏，伍先明，王鵬程，黃永程.Adams在機械原理課程教學中的應用研究[J].機械管理開發，2018，33（11）：55-56，165.

[4]張新榮，馬杰，張才斗，等.基于MATLAB倒立擺可視化建模仿真與控制[J].計算機工程與設計，2018，39（10）：3214-3219.