基于MATLAB的機(jī)械工程測試仿真教學(xué)實(shí)踐探討

劉利++史穎剛++李敏通++趙繼政++吳婷婷?

基金項(xiàng)目：西北農(nóng)林科技大學(xué)2013年教學(xué)改革研究項(xiàng)目“信號處理課程群體系構(gòu)建研究”（編號：JY1301008），2013年西北農(nóng)林科技大學(xué)本科優(yōu)質(zhì)課程建設(shè)重點(diǎn)項(xiàng)目：機(jī)械工程測試技術(shù)。

摘要：在機(jī)械工程測試技術(shù)的教學(xué)中，引進(jìn)軟件仿真，在Matlab語言的支持下，構(gòu)建GUI輔助教學(xué)界面，將許多測試技術(shù)中的理論，用圖形方便的表達(dá)出來，形象生動(dòng)的驗(yàn)證了信號調(diào)理、信號處理與分析，描述了機(jī)械工程測試系統(tǒng)的基本特性等相關(guān)理論。

關(guān)鍵詞：MATLAB；GUI；測試技術(shù)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、引言

測試技術(shù)主要研究各種物理量的測量原理，和測量信號的分析處理方法。因此，機(jī)械工程測試技術(shù)的教與學(xué)，對各種基礎(chǔ)理論的要求比較高，同時(shí)又具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，它綜合應(yīng)用高等數(shù)學(xué)、電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)知識，解決工程測試中信號的獲取、轉(zhuǎn)換、記錄及處理分析等問題。理論與實(shí)踐相結(jié)合是這門課程的特點(diǎn)，但是，在測試技術(shù)的實(shí)際教學(xué)中，理論分析和實(shí)踐操作的對象，比較抽象，直觀性差，好多學(xué)生不理解一些基本概念的物理意義，再加上一些學(xué)生沒有掌握好先修課程，覺得公式太多，學(xué)習(xí)難度加大，學(xué)習(xí)熱情降低，教學(xué)效果不理想。在課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，部分學(xué)生不太明白操作目的、順序，實(shí)驗(yàn)效果不是很好。因此，在機(jī)械工程測試技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)中，引入MATLAB語言，作為理論教學(xué)的補(bǔ)充，簡化計(jì)算過程，使學(xué)生在課余時(shí)間隨時(shí)上機(jī)驗(yàn)證課上老師講授的理論，把結(jié)果以圖形的方式表示出來；同時(shí)仿真軟件能夠仿真許多測試系統(tǒng)，可以引導(dǎo)學(xué)生理解實(shí)際的測試過程，對理論知識的掌握，起到事半功倍的效果。[1-2]。

二、MATLAB語言及GUI作圖

MATLAB是一種高效的工程計(jì)算語言，在數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、小波分析等方面有著廣泛的應(yīng)用。MATLAB可將數(shù)據(jù)或結(jié)果，以圖形方式表示出來，具有直觀、明顯的效果。MATLAB提供了對用戶圖形界面（GUI）的支持，通過GUI作圖可以方便的將許多測試技術(shù)中的理論用圖形表達(dá)出來。利用構(gòu)建的一個(gè)GUI教學(xué)界面，進(jìn)行輔助教學(xué)。[3-4]

三、機(jī)械測試技術(shù)基本理論的MATLAB仿真教學(xué)

將MATLAB語言應(yīng)用到機(jī)械工程測試技術(shù)基本理論教學(xué)中，可以驗(yàn)證包括信號調(diào)理、信號處理，測試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性描述等方面的內(nèi)容。

2.1 信號調(diào)理的MATLAB仿真

傳感器輸出的電信號，大部分要經(jīng)過調(diào)理，才能適應(yīng)后續(xù)的測試環(huán)節(jié)。常見的信號調(diào)理環(huán)節(jié)有：電橋、放大器、濾波器、調(diào)制器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器等。調(diào)制是信號調(diào)理的基本方法之一，工程中常用的調(diào)制方法為調(diào)幅與調(diào)頻。調(diào)幅原理如圖1所示，它是將一個(gè)高頻簡諧信號與測試信號相乘，使高頻信號的幅值隨測試信號的變化而變化。其結(jié)果就相當(dāng)于把原信號的頻譜圖形從原點(diǎn)平移至載波頻率處。所以調(diào)幅的過程也是頻譜“搬移”的過程[5]。從圖1中可以清晰看出：調(diào)制信號與載波信號相乘，將調(diào)制信號的頻譜從原點(diǎn)處搬移到了載波頻率200Hz處。

2.2信號處理分析中的MATLAB仿真

工程測試的過程，是從客觀事物中提取有用信息的過程，也是信號處理分析的過程。求取信號的均值、方差、均方值以及信號的相關(guān)函數(shù)等方法，是常用的信號時(shí)域處理分析方法。對信號進(jìn)行傅立葉變換，求取信號的頻譜，是常用的信號頻域處理分析方法。[5]

隨機(jī)信號的時(shí)域波形及統(tǒng)計(jì)直方圖，如圖2所示。它的均值為0.0572，均方值為0.7509，均方根值為0.8665，標(biāo)準(zhǔn)差為0.8646，方差為0.7476。

正弦信號及白噪聲信號的自相關(guān)函數(shù)圖，如圖3所示。從圖中可以看出，正弦信號的自相關(guān)函數(shù)是和它同頻的余弦函數(shù)。驗(yàn)證了自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)：自相關(guān)函數(shù)是偶函數(shù)，若信號中含有周期成分，自相關(guān)圖不衰減呈現(xiàn)周期性。白噪聲信號是典型的隨機(jī)信號，當(dāng)τ=0時(shí)，取得最大值。τ偏離0時(shí)，很快衰減為0。

了解常用信號的頻譜，對于分析信號組成，掌握信號變換實(shí)質(zhì)具有重要作用。

在信號處理時(shí)，凡是將信號截?cái)?、分塊都相當(dāng)于對信號加了矩形窗。矩形窗函數(shù)及其頻譜，如圖4所示。由于矩形窗函數(shù)是一個(gè)無限帶寬的sinc函數(shù)，所以即使x（t）是帶限信號，在截?cái)嗪笠脖厝怀蔀闊o限帶寬的信號。所以信號截?cái)嘁欢〞碚`差。[5]

2.3 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性描述中的MATLAB仿真測試

測試系統(tǒng)的特性，會直接影響到測試結(jié)果的正確性。因此，在測試之前，應(yīng)了解所選測試系統(tǒng)的基本特性，尤其是動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

由于高階系統(tǒng)可以看成若干一階或二階系統(tǒng)的并聯(lián)，所以研究一階、二階系統(tǒng)的特性就顯得十分重要。一階系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性、單位階躍、單位脈沖響應(yīng)曲線，如圖5所示。從圖中可以看出：一階系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性曲線隨著頻率的增加而單調(diào)減小，衰減很快，具有低通濾波的特性[2]。一階系統(tǒng)

單位階躍響應(yīng)滿足 ，單位脈沖響應(yīng)滿足 。[1，5-10]

三、機(jī)械工程測試技術(shù)輔助教學(xué)界面

MATLAB提供用戶圖形界面（GUI）的支持，使用GUI創(chuàng)建的測試技術(shù)輔助教學(xué)界面[3]，如圖6所示。在該界面上可以生動(dòng)形象地驗(yàn)證測試技術(shù)中的許多基礎(chǔ)理論，實(shí)踐證明，這不僅僅可以幫助學(xué)生理解基本概念、理論、實(shí)踐操作，而且，可部分優(yōu)秀學(xué)生可以利用利用MATLAB語言擴(kuò)充GUI界面，解決受實(shí)驗(yàn)設(shè)備的局限，而無法完成創(chuàng)新性實(shí)踐教學(xué)的難題。[3-5]

四、結(jié)語

將MATLAB語言應(yīng)用到測試技術(shù)的教學(xué)中，能夠做到深入淺出，形象生動(dòng)。有助于學(xué)生對理論的理解和深入。

本文利用MATLAB軟件建立了機(jī)械工程測試技術(shù)的仿真模型，包括信號調(diào)制、時(shí)域分析、測試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性、典型信號頻譜等方面的動(dòng)態(tài)仿真、顯示，使機(jī)械工程測試系統(tǒng)的產(chǎn)生原理，拋開了復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式、電路原理，讓學(xué)生形象化的理解測試系統(tǒng)的物理意義，及其暫態(tài)過程分析，易于理解和掌握，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，課堂教學(xué)效果顯示，仿真教學(xué)手段的引入，不僅加深了學(xué)生測試系統(tǒng)的理論知識理解，而且，增強(qiáng)了學(xué)生的參與意識，以及創(chuàng)新意識，對于工程思維和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，起到了積極的促進(jìn)作用。[1-2]

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：劉利（1979- ），女，西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院，講師，研究方向：機(jī)電專業(yè)課程教學(xué)改革與建設(shè)endprint