基于MATLAB/simulink的《机械工程控制基础》仿真教学应用研究

张 斌

（江西应用工程职业学院 机电工程系，江西 萍乡 337042）

基于MATLAB/simulink的《机械工程控制基础》仿真教学应用研究

张 斌

（江西应用工程职业学院 机电工程系，江西 萍乡 337042）

《机械工程控制基础》是高职院校机电一体化专业的一门专业课程，具有理论性强、知识面广、系统复杂的特点．传统的课堂教学模式，很难让学生深刻理解和掌握课程的知识点，提高学生的实践技能．本文基于MATLAB软件对该课程进行仿真教学，对抽象的理论模型构建系统传递函数环节，通过简化等效，并利用MATLAB软件中的simulink功能进行仿真，得到系统闭环传递函数输出时间响应曲线，可从时间曲线上直接读出结果，便于学生的掌握和理解．

MATLAB；自动控制；simulink；仿真教学

《机械工程控制基础》作为高职院校机电一体化专业一门专业课程，具有理论性强、知识面广、系统复杂的特点[1]．传统的课堂教学模式的复杂推理以及习题练习等，难以理解，学生的学习积极性普遍不高．本文将MATLAB软件引入到《机械工程控制基础》课程中，通过软件simulink仿真，对一些典型的系统进行数学建模，系统输出响应、频率特性及根轨迹等方面进行分析，通过曲线形象直观的反映了系统动态特性，提高学生学习积极性．

1 MATLAB/simulink软件

MATLAB软件是一款功能强大的数学类科技应用软件，除了具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能[2]．在《机械工程控制基础》的课程教学中，通过MATLAB/simulink软件很好解决了大量的数学计算（如拉氏变换）及绘图的问题[3]．在具体的课程教学中，将一具体的工程实例分解成若干个知识点，然后对该工程实例进行数学建模，将其化成N个典型环节连接的闭环系统，再引入MATLAB软件，以多媒体的形式实际演示给学生看，让学生从中学会如何对知识进行分解和重构，培养学生独立分析问题和解决问题的能力．

某二阶系统方框图如图1所示．其中，输入信号为单位阶跃函数信号，xi(t)=1(t)，对其拉氏变换，得到Xi(s)=1/s，

要求算出该系统的输出信号时间响应，并分析其动态性能指标．

按照传统方法，要分析其稳态性能和暂态性能指标，必须先对该系统进行化简，求出该系统闭环传递函数Φ(s)，再由闭环传递函数，解出无阻尼振荡频率ωn和阻尼比ζ, 最后由公式可算出最大超调σp和调节时间ts以及稳态误差ess等指标．按传统方法可求解如下：

图1 二阶系统方框图

系统的闭环传递函数：

由上式可得出ζ=0.33（0＜ζ＜1）该系统为欠阻尼状态ωn=3.

根据二阶系统欠阻尼状态的公式可求解最大超调量σp和调节时间ts以及稳态误差ess：

用这样的方法，计算量大，而且运用的公式较多，学生不易掌握．

2 Simulink仿真应用

通过引入MATLAB/simulink软件后，通过对系统进行分析，直接在软件simulink中的绘制出其系统框图（见图2）（输入/输出信号、传统函数、传递环节方框、综合点等要素按照信号的传递路径进行相应的组合），分析系统的稳态性能指标和暂态性能指标，然后对该系统输入信号以及前向通道传递函数进行相应定义，最终通过Scope输出进行波形仿真，得出输出响应曲线（见图3）．

图2 二阶系统simulink系统框图

图3 二阶系统输出时间响应曲线

通过观察图3，可以发现该系统输出时间响应曲线为正弦衰减振荡曲线，此类曲线为典型的二阶系统振动波形，则有以下结论：

1）根据最大超调量的定义，并结合图3刻度读数，可得出最大超调量σp；

2）根据调节时间定义，系统输出响应X0(t)与稳态值X0max之间的误差达到规定的允许范围(±2%×±5%)，且以后不再超出此范围的最短时间，那么根据图3时间刻度可大概得出调节时间ts=4s.

3）稳态误差ess，根据系统的输出时间相应，该系统为稳定的系统，那么系统的输出量的期望值与实际值相等，那么ess=0.

通过对比可以很明确的知道，利用MATLAB/simulink软件进行系统仿真，既省去了繁冗的复杂公式计算推导，又反过来验证了二阶系统性能指标的相关定理，让学生更形象直观地掌握二阶系统稳态与动态性能指标的定义及求解．

相对于传统《机械工程控制基础》课程教学来说，Matlab/simulink软件对控制系统进行模型构建，输出曲线仿真及分析，同时还能进行系统设计．实践表明，Matlab/simulink仿真教学对于丰富教学手段，提升教学效果及学生的学习积极性等有积极的作用．

[1] 刘玉山．机械工程控制基础[M]．北京：冶金工业出版社，2011．

[2] 于润伟．Matlab基础及应用（第3版）[M]．北京：机械工业出版社，2014．

[3] 杨秀萍，郭悦虹，王收军．Matlab仿真在《控制工程基础》教学中的应用[J]．制造业自动化，2011（07）：58-60．

Simulation Teaching of The Foundation of Mechanical Engineering Control-- an Applied Research Based on “MATLAB/simulink”

ZHANG Bin
（Department of Electrical Engineering, Jiangxi Vocational College of Applied Engineering, Pingxiang, Jiangxi 337042, China）

As a professional course for electromechanical integration specialty in higher vocational college, The Foundation of Mechanical Engineering Control boasts strong theory, extensive knowledge and complex system. It is difficult for students to either understand and master the course knowledge or improve their practical skills in a traditional classroom. Based on MATLAB software, simulation teaching is applied to this course. Therefore, through the Simulink simulation from MATLAB, abstract theory model is made concrete, and students can directly read test results from the time response curve.

MATLAB; automatic control; simulink; simulation teaching

TH-4；G642

B

1672-0318（2015）03-0039-03

10.13899/j.cnki.szptxb.2015.03.009

2014-12-24

张斌（1984-），男，江西萍乡人，工程硕士，讲师，研究方向：自动控制、变频技术及革命老区信息化等．