以MATLAB为辅助的“机...控制工程”教学模式改革探究_王晓燕.pdf

科技视界Science&Technology VisionDOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2022.31.33以 MATLAB 为辅助的“机械控制工程”教学模式改革探究王晓燕（兰州城市学院培黎机械工程学院，甘肃 兰州730070）【摘要】“机 械 控制 工 程”课程 理 论性强，内容 涉 及广 而 且抽 象，学生 理 解困 难，因此，本文 利用MATLAB软 件 强 大的 数 值 计 算 和 绘 图 功 能，将MATLAB引 入 到 机 械 控 制 工 程 的 教 学 中，对 该 课 程 的 教 学 模 式 进 行 了 改 革，从 而 有 效 提 高了 课堂 教 学 效 果。【关 键词】机 械控 制 工 程；MATLAB；教 学改 革0引言机械控制工程是一门理论性强的课程，主要内容包括控制系统的数学模型、时域分析、频域分析、稳定性以及校正设计等部分。该门课程注重控制理论在机械工程中的应用，是机械电子工程专业及机械大类专业课程体系中一门重要的技术基础课。该课程一般以“复变函数”、“大学物理”和“电工学”为先修课程1。通过该课程的学习，学生理解和掌握工程控制论的基本概念、基本理论和方法，能熟练应用经典控制理论与方法来解决机械工程中的实际问题，熟练列写给定系统的微分方程，并对系统的稳定性、快速性和准确性进行分析2。该门课程的特点是理论性强、内容多且涉及知识面广、概念抽象，教师只做理论讲解是很难达到预期效果的，对涉及较复杂的数学计算也难以更好的演示3。学生理解困难，学习效果不好。因此针对这一问题本文结合 MATLAB 软件对本课程的教学模式进行改革。1教学现状在机械控制工程课程的内容中，例如在数学模型的建立中需要用到复变函数的内容，但部分学校的本科课程中并没有开设这门课程，这样就更加大了学生的学习难度；再如，根据往年的教学情况可以看出，学生对频域分析部分的理解难度是最大的，因为该部分的内容需要根据计算出的频率特性在极坐标、对数坐标中画出相应的频率特性曲线，而在教学中教师讲授的一般是近似作图法，精确曲线是很难绘出的，因此也使学生对这部分内容由抽象感进而也产生了畏惧作 者 简介：王 晓燕，硕士，讲 师，研 究方向 为智 能 控制。科学课堂120Science&Technology Vision科技视界心理，这都降低了学生的学习效果。2以MATLAB为辅助的教学模式改革针对教学现状中存在的问题，教师的教学模式除了可以通过传统的板书、多媒体讲解必要的理论推导过程以及常规的解题方法外，而控制理论中涉及的复杂系统数学模型、控制系统的分析与校正等教学内容都可在 MATLAB 中实现4。利用 MATLAB 进行教学模式的改革可以从以下四个内容进行：2.1利用MATLAB控制工具箱提供的时间响应分析函数进行时域分析通常在进行时域分析这一部分的教学时，板书讲授时间响应曲线只能画出近似曲线，很难画出精确曲线，而利用 MATLAB 不但能得出精确响应曲线，还能通过系统结构参数取不同的值直观地看出响应曲线的变化，及对系统性能的影响。例如，对于二阶系统 G（s）=2ns2+2ns+2n，可绘出其无阻尼固有频率 n=4，阻尼比分别为=0，0.5，1，4时系统的单位阶跃响应曲线如图 1 所示，由响应曲线可以直观地看出随着阻尼比取不同的值时系统稳定性、准确性和快速性的变化。图1二阶系统的单位阶跃响应曲线2.2利用MATLAB控制工具箱提供的频域分析函数进行频域分析频域分析法是一种图解分析方法，要绘制准确的Nyquist 图和 Bode 图也是很难的，因此，通常都是根据近似作图法的原则绘制概略的曲线。而且，即使是绘制概略的曲线对于学生也是比较难的。而此时同样的可以利用 MATLAB 得到精确的频率特性曲线。例如，系统的开环传递函数为 G（s）H（s）=50（s+1）s（5s+1）（s2+s+25），绘制该系统的频域分析曲线Nyquist 图和 Bode 图如图 2、图 3 所示。图2系统的零、极点图图3系统校正后的Bode图2.3利用MATLAB可实现对系统稳定性的分析控制系统的稳定性决定于系统闭环特征方程的根，当特征方程的阶次较高时，求解特征根困难，此时在 MATLAB 中可以用相应的函数来实现。例如，控制系统的传递函数为科学课堂121科技视界Science&Technology VisionG（s）=33s+122s+17s+20s5+2s4+14s3+88s2+200s+800可以绘出该系统的零、极点图如图 4 所示来判断系统的稳定性。由图 4 可见，系统在右半平面有两个极点存在，所以可以判定该系统不稳定。2.4利用MATLAB可实现对系统的校正设计当系统动态性能不能满足要求时，借助设计方法对系统进行校正设计，同样可以利用 MATLAB 中的函数精确画出系统校正前、后的 Bode 图，并可直接利用程序求出校正前、后的参数，可直接看出校正后的参数是否满足校正要求。图4系统的零、极点图例如，已知某单位负反馈系统被控对象的传递函数为 G（s）=30s（0.1s+1）（0.2s+1），用 Bode 图法对系统进行串联滞后校正设计，使之满足：系统校正后幅值穿越频率 c2.3rad s-1，相位裕度 40。首先，可计算出校正前系统的幅值裕度 Kg（dB）=-6.02dB 和相位裕度=-17.2均为负值，对应的阶跃特性曲线振荡发散，这样的系统无法正常工作，需要进行校正。最后，经校正后得到的 Bode 图如图 5 所示：由图 5 可知校正后系统的幅值裕度 Kg（dB）=14.7dB，相位裕度=47，满足校正要求。3结语将本文教学模式改革应用到实际教学中，以MATLAB 作为教学的辅助工具，采用新的课堂教学模式，学生可以投入更多的精力学习机械控制系统的原理、结构和分析方法等，绘图部分和复杂计算可借助 MATLAB 实现，使学生容易掌握，不再有畏惧心理。同时改善了课堂学习气氛，学生学习的积极性得到提高。图5系统校正后的Bode图【参考文献】1张兵，钱鹏飞，张立强，等.基于快速原型的“控制工程基础”课程教学改革与实践J.教育现代化，2020，7（36）：75-77.2田雪虹.工程教育专业认证下机械控制工程基础课程教学改革J.装备制造技术，2021（2）：139-141.3赵月，王万雷，杨静萍，等.“控制工程基础”课程教学模式与方法的改革研究J.科学咨询（教育科研），2020（4）：54-55.4金世佳.控制工程基础课程与MATLAB有效融合方法的研究J.吉林农业科技学院学报，2018，27（4）：108-110+124.科学课堂122