機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程的Matlab實驗教學(xué)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(jī)械控制工程基礎(chǔ)實驗課時，提出了Matlab軟件仿真與實驗箱相結(jié)合的實驗教學(xué)方式，用語言編制用來進(jìn)行機(jī)械控制工程基礎(chǔ)實驗；教學(xué)應(yīng)用結(jié)果表明：通過仿真與模擬實驗結(jié)果的對比分析，不僅可以彌補(bǔ)現(xiàn)有實驗箱的缺陷，而且可以讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)模擬實驗中存在的錯誤，鍛煉學(xué)生分析、解決問題的能力，而且激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為以后從事相關(guān)研究工作打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：實驗教學(xué) 機(jī)械控制工程基礎(chǔ) Matlab 計算機(jī)仿真

目前，機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程的Matlab實驗教學(xué)環(huán)節(jié)還存在著一些不足和弊端：

（1）由于實驗室資金緊張，學(xué)院不能及時更新實驗室設(shè)備，學(xué)生做實驗只能分批、分時復(fù)用實驗設(shè)備。

（2）實驗內(nèi)容形式老化，學(xué)生對于控制系統(tǒng)的參數(shù)不知如何調(diào)整，很容易造成硬件電路的損壞；不能達(dá)到實驗要求和促進(jìn)課程理論教學(xué)的目。

（3）目前多數(shù)高校采用放錄像的形式讓學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的試驗學(xué)習(xí)，學(xué)生只能對實驗有一個初步的了解。

這些傳統(tǒng)控制箱實驗的方式對學(xué)生工程實踐能力的培養(yǎng)是不利的，缺乏動手能力，與國家要求的應(yīng)用型人才的標(biāo)準(zhǔn)有一定的差距。因此，提出以實驗箱教學(xué)為主，同時結(jié)合Matlab軟件進(jìn)行仿真教學(xué)的輔助教學(xué)模式，這種具體實驗法和虛擬仿真教學(xué)方法能很好的克服傳統(tǒng)模擬實驗的局限性，對機(jī)械控制工程基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)有極大的促進(jìn)作用。

一、實驗內(nèi)容安排

根據(jù)教學(xué)及實驗大綱的要求，對于機(jī)電學(xué)院機(jī)械電子工程和機(jī)械制造及其自動化兩個專業(yè)的學(xué)生我們設(shè)置了機(jī)械控制工程理論3個實驗，它們分別為二階系統(tǒng)的響應(yīng)分析、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、模糊PID參數(shù)整定設(shè)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(jìn)行仿真部分，也含有模擬實驗部分，下面對上述3個實驗進(jìn)行介紹：

1.二階系統(tǒng)的響應(yīng)分析

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

3.模糊PID參數(shù)整定設(shè)計及其對比

工業(yè)控制中會常用到PID在線控制法，而利用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)進(jìn)行修改，可以使系統(tǒng)的響應(yīng)過程的動態(tài)和靜態(tài)特性都得到了很好的改善，對于工業(yè)上含有滯后、復(fù)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(jié)構(gòu)如圖3所示。

模糊自整定PID是在PID算法的基礎(chǔ)上，建立合適的模糊控制規(guī)則表，來計算系統(tǒng)的誤差e和誤差變化率ec。在工業(yè)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(jìn)行控制，并比較各種情況下的響應(yīng)特性。

進(jìn)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(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明采用模糊自整定控制方法可以獲得比傳統(tǒng)的PID控制更好的控制效果。

二、實驗教學(xué)改革

高校開展“卓越工程師計劃”目的就是為了使學(xué)生把理論知識向著實際應(yīng)用的方面落實。實驗的最終目的是讓學(xué)生動手多參與，多實踐，多思考，多提問，這樣才能使實驗教學(xué)達(dá)到它的意義。為了本次教學(xué)的課程改革，同時結(jié)合這門課的特點將機(jī)械控制工程基礎(chǔ)實驗教學(xué)模式分為三大類：（1）課程理論類；（2）驗證結(jié)論類；（3）典型實驗設(shè)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(tǒng)響應(yīng)特性分析、性能指標(biāo)分析等，基于Matlab仿真軟件進(jìn)行實驗。而典型實驗設(shè)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(chuàng)新性實驗，以實際項目或設(shè)計任務(wù)為實驗教學(xué)的核心，進(jìn)行教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容的改革，已在實際教學(xué)活動中進(jìn)行了嘗試。

三、結(jié)束語

機(jī)械控制工程基礎(chǔ)的實驗教學(xué)是整個課程教學(xué)過程中不可缺少的部分，是重要的教學(xué)環(huán)節(jié)之一。本實驗?zāi)軌蚺囵B(yǎng)學(xué)生具有靈活運(yùn)用計算機(jī)進(jìn)行獨立分析、設(shè)計及解決實際問題能力。通過實驗教學(xué)改革培養(yǎng)了學(xué)生工程實踐能力，將Matlab仿真與模擬實驗有機(jī)地結(jié)合起來，不僅激發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新意識，而且讓學(xué)生掌握Simulink在控制系統(tǒng)建模及仿真中的運(yùn)用，同時使學(xué)生理論聯(lián)系實際，達(dá)到了培養(yǎng)創(chuàng)新實踐型人才的目標(biāo)，便于發(fā)現(xiàn)實驗中存在的問題。本文論述的實驗教學(xué)改革的方法和措施具有一定的推廣應(yīng)用價值，也可以擴(kuò)展到其他專業(yè)課程實驗中。

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