浅论Matlab的机械工程控制基础课程教学分析论文

2018-08-10 机械工程控制基础

  机械工程控制基础课程是高等院校中机械类专业的一门重要的专业技术基础课,课程以机械工程系统为研究对象,重点介绍经典控制理论的基本原理和基本方法。课程侧重原理,其内容密切结合工程实际,突出培养学生的创新能力和工程实践能力。作为一名该门课程的主讲教师,笔者在平常教学中发现,学生的学习积极性普遍不高,且随着学习内容的深入,甚至有些学生对课程失去了学习兴趣。针对上述现象,笔者结合自己的教学工作,初步分析了将Matlab软件引入到机械工程控制基础课程教学中的必要性,并给出了Matlab在课程教学中的运用举例,以期提高学生对该门课程的学习积极性。

  1Matlab的优点及其引入课程教学的必要性

  1.1Matlab的优点

  Matlab软件是美国MathWorks公司推出的一款商业数学软件,主要包括Matlab和Simulink两大部分。可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、创建用户界面等,其应用领域涉及工程计算、控制系统设计、信号处理、图像处理等诸多领域。其优点主要表现在以下几方面。

  (1)简单易用,Matlab的界面接近Windows的标准界面,人机交互性强,即使是非计算机专业人员也可很快上手。

  (2)高效的数值计算和符号计算能力,可以满足用户所需的各种计算功能。

  (3)强大的图形处理功能,能方便地实现计算结果和编程的可视化。

  (4)具有功能丰富的应用工具箱,可以为用户提供大量方便实用的处理工具。

  由此可见,Matlab软件对于机械类的大学生来说,在教师的指引下,可以很快自学使用,且完全能满足机械工程控制基础的教学需要。

  1.2Matlab引入课程教学的必要性

  机械工程控制基础作为一门理论性和实践性都比较强的专业课程,在课程教学中表现出如下特点。

  (1)课程具有教学内容抽象、数学理论性较强、图表曲线多等特点,这对刚刚接触专业课程学习的大学生来说,无疑又增加了他们学习这门课程的难度,导致很多学生在学习中“水土不服”,久而久之,学生们也逐渐失去了课程后续内容学习的兴趣。

  (2)作为应用型新兴本科院校,课堂教学过分注重基本理论内容的讲解,缺乏实践环节的锻炼,使得学生所学知识与机械工程实际应用缺乏联系,课程内容枯燥无味。

  (3)课程教学偏重于应试教学模式,忽略了学生的综合素质和创新能力的培养,课程学完结束之后,学生掌握的仅仅是几个基本概念和几个基本公式,而关于控制系统分析、设计方面的相关软件却很生疏。

  而前述的Matlab软件的诸多优点正好可以解决上述问题,在机械工程控制基础课程教学中引入Matlab软件,一方面,可以满足常见机械工程控制系统的建模、设计、仿真和分析等过程;另一方面,Matlab软件的强大的图形处理功能和友好的可视化界面必将会增加学生的兴趣和积极性。

  2Matlab在课程教学中的运用举例

  Matlab软件在机械工程控制基础课程教学中的运用涉及系统的时间响应分析、频率特性分析、稳定性分析及连续线性系统的设计与校正等多个方面,下面以系统的时间相应分析和稳定性分析为例说明Matlab软件在课程教学中的运用。

  2.1 在系统时间响应分析方面的运用

  Matlab软件可以实现系统的时间响应分析,通过系统在典型输入信号下的时间响应曲线,不但可以了解控制系统的参数变化对其响应曲线波形的影响,而且可以测试出系统的瞬态响应性能指标。下面举例说明。

  已知某系统的传递函数为

  23()3Gs++=ss

  要求绘制完成20秒的系统的单位阶跃响应曲线,并求取相应的瞬态响应性能指标。

  利用Matlab命令语句编制程序:

  num=[3];

  den=[113];

  T=20;

  sys=tf(num,den);

  step(sys,T)

  运行上述命令语句,即可绘制出系统的单位阶跃响应曲线。通过系统的单位阶跃响应曲线,再结合教材中关于上升时间、峰值时间及超调量等瞬态响应性能指标的定义,可以很直观地将这些基本概念及其计算方法跟学生解释清楚。另外,通过调整系统的增益,可获得系统增益对系统输出波形的影响。这样不但可以将增益的概念跟学生讲解明白,而且也可以向学生展现增益变化对系统瞬态响应性能指标的影响关系。

  通过这样一种课程教学方式,不但大大提高了学生的学习兴趣,而且也让学生掌握了Matlab软件的一些基本操作,有利于教学效果的'提升。

  2.2 在系统稳定性分析方面的运用

  Matlab软件同样可以应用在系统稳定性判断的教学过程中,通过Matlab软件绘制系统的Nyquist图和Bode图,再结合教材中给出的相应的稳定性判据,即可判断闭环系统的稳定性。下面举例说明。

  已知某系统的传递函数为

  1()(0.61)(0.21)(0.061)Gs+++=sss

  要求绘制系统的Nyquist图和Bode图,并判断闭环系统稳定性。

  利用Matlab命令语句编制程序:

  b=1;

  a1=[0.61];

  a2=[0.21];

  a3=[0.061];

  a=conv(a1,a2);

  a=conv(a,a3);

  margin(b,a)

  nyquist(b,a)

  运行上述命令语句,就可绘制出系统的Nyquist图和Bode图。从图中可知,系统的Nyquist图逆时针包围(-1,j0)点0次,而开环系统极点全部位于左半s平面,根据Nyquist稳定判据,故闭环系统稳定。同样,在Bode图中,幅值穿越频率小于相位穿越频率,根据Bode稳定判据,闭环系统稳定。

  显然,对于控制系统稳定性判据的教学,融入基于Matlab软件的这些仿真实例,不但思路简洁清晰、便于理解,而且更容易凝聚学生的视线。

  通过上述两则实例可以看出,在机械工程控制基础的课程教学中融入Matlab软件,有利于提升课程教学效果。

  值得注意的是,在传统的教学过程中,人们往往只重视概念和公式的死记硬背,学生只会套用公式及模仿例题,一旦要解决的问题发生变化,便无从下手应对,使得学生的综合素质和创新能力受到限制。例如,对于上述的二阶系统的时间响应分析,仅仅通过书本,学生掌握的可能只是与之相关的几个基本概念和几个计算公式,这些对于学生应付期末考试可能已经足够,但是用它们解决一些新的问题就显得捉襟现肘了。基于Matlab软件的课程教学可以很好地解决这一问题,就上述二阶系统的时间响应分析教学过程来说,当介绍完与二阶系统时间响应相关的基本概念和计算公式后,不要急于介绍下一节内容,而是可以根据这部分学习内容设计一些有典型代表意义的仿真实验。例如,二阶系统的增益变化对其稳定性有何影响?三阶系统的时间响应曲线又是怎样的?通过设计这样的一些仿真实验,给学生创设自主探索的机会,使学生在探索中学会猜想,在探索中学会验证,在探索中掌握相关软件工具。兴趣的激励还可能促使学生运用掌握的Matlab软件积极探索现实生活中的工程实例,实现在探索中综合素质的提高和创新能力的培养。

  3 结束语

  针对应用型新兴本科院校机械工程控制基础课程教学的目标和特点,将Matlab软件引入到其课程的教学中,一方面,在某些知识点的讲解上,通过图形化的互动教学,使学生能够更加直观、清晰的理解和掌握一些抽象的概念和理论,有利于提高课堂教学质量,增加学生的学习兴趣;另一方面,软件化的教学能够提升学生学习、运用Matlab软件的积极性,有助于提高学生独立分析问题、解决问题的能力。由此可见,Matlab软件的引入为机械工程控制基础课程提供了一种全新的教学方法,使学生的综合素质和创新能力得到较好的培养。

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