《机械控制工程基础》数学建模与计算机仿真实践教学

摘 要:《机械控制工程基础》课程主要研究经典控制理论单输入-单输出SISO系统,具有理论基础完善和实践应用范围广泛等特点。全文从本课程实践教学项目的研究目的和意义出发,着重阐述了借助MATLAB软件平台数学建模的方法,并设计了项目实施的有效途径。

关键词:数学建模机电控制计算机教学MATLAB软件

中图分类号:G642文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)09(b)-0189-01

1 引言

机电控制技术是机械、电子、计算机和自动控制等技术的有机结合,机械电子工程专业主要培养德、智、体全面发展,并能从事机电一体化产品和系统的设计、制造、运行的工程技术人才。学生通过学习可获得工程师的初步训练,适合到企事业单位从事技术及管理工作。培养目标上主要包括以下几个方面:(1)、系统地掌握机械制图、力学、机械制造工艺等机械工程方面的基础理论、基本知识;(2)、掌握电子技术、微机应用技术、检测与控制技术的基本理论和基本知识;(3)、具有一定的机电一体化产品和系统的设计、制造、使用和维护的综合能力;(4)、具有一定的计算机应用能力。

MATLAB是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称,是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB作为现代数学计算和计算机模拟仿真的应用软件,将高性能的数值计算可视化,提供了大量的内置函数．从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域,已经成为工科学生一门必备的数学工具。本文将机械工程控制的数学建模问题通过MATLAB来实现,将传统的问题通过现代化的工具实现,以显示MATLAB在机械控制工程中处理问题的快捷性与优越性。

2 机电控制课程特点

机械控制工程基础是一门多学科交叉的基础课程,机电控制工程基础的基本问题是:建立系统的数学模型;系统分析计算;综合校正确定控制规律。本课程的基本任务,是使学生获得机电控制系统的基本理论,掌握系统的基本分析方法和计算方法。为设计机电控制系统及后继课程的学习和进一步研究学习控制理论打下一定的基础。本课程中应用的数学较多,在控制理论书籍中使用了大量的数学,使得大多数机械类学生学习控制工程感到抽象和困难,对学习这些理论的目的性缺乏认识,影响了学习兴趣,学习效果欠佳。为帮助学生更好地理解基本概念,掌握基本理论和基本方法,将MATLAB先进控制软件工具以及教改和教学研究成果及学科最新发展引入教学,使学生加深对经典控制理论的理解。仿真实验内容丰富灵活,弥补了传统实验的不足。学生可不受实验室的限制,只要有计算机,何时何地就能进行。从应用情况看,基于MATLAB的自动控制原理仿真起到了很好的辅助教学的作用,能把抽象的理论知识与可视的图形结合起来,深化理论知识。

3 运用MATLAB实现系统分析范例

MATLAB作为一种高性数值能计算软件,其系统控制工具箱主要处理以传递函数为主要特征的经典控制和以状态空间为主要特征的现代控制中的问题。该工具箱对控制系统的建模、分析和设计提供了一个完整的解决方案,是MATLAB最有力和最基本的工具箱之一。其功能包括系统建模、系统分析、系统设计。在工程控制中有很重要的影响。而早期的控制系统分析过程复杂而耗时,如想得到一个系统的冲激响应曲线,首先需要编写一个求解微分方程的子程序,然后将已经获得的系统模型输入计算机,通过计算机的运算获得冲激响应的响应数据,然后再编写一个绘图程序,将数据绘制成可供工程分析的响应曲线。所以MATLAB控制系统工具箱和SIMULINK辅助环境的出现,给控制系统分析带来了福音,只需要几个命令就可实现复杂的人工工作,如图1所示的伯德图与奈奎斯特图的绘制。

4 实践课程教学改革的实施

为了突出重点,突破难点,在课程教学中尽量运用MATLAB进行范例解析,形象地向学生展现机械控制工程中生硬晦涩的数学内容。为了让学生加强对教学重点的掌握和难点的理解,实现教学目标,由浅入深分阶段实施实践教学。

首先是范例分析阶段:由任课教师提供典型范例,进行深入细致的讲解,并针对不同知识点设计课程作业,深入浅出的帮助学生完成从理论到实践的过渡,使学生掌握最基本的专业技能和基本理论。

其次是模拟设计训练阶段:由教师提供综合范例,要求学生运用所学知识完成任务,其目的是提高学生的MATLAB应用能力,巩固掌握的机械控制工程知识和技能,增强创新的能力和意识。

最后是综合检验阶段:由教师提供工程实际范例,检验自己分析问题与解决问题的能力,达到理论联系实际的目的,在实践中巩固理论。

《机械控制工程基础》课程理论性比较强,概念多,较抽象。在教学方法、教学手段上要进一步进行改革,寻找更好的措施,提高教学质量。同时进一步发挥实践教学的特点,使学生在实践教学环节中,加深理解理论知识。

参考文献

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