虚拟仿真技术在《机械工程控制原理》中的教学改革

文/蔡容、王华敏　武汉科技大学城市学院　湖北武汉　430083

1、引言

2014年独立学院在转型设为独立设置高校时，国务院鼓励其定位成应用技术类型高等学校，对于独立院校的教育问题也就成为了以就业为导向的“就业教育”，其教育重任即是为社会培养应用型、技能型、工艺型人才的，因而在教学过程中应加强学生的动手能力培养和职业技能方面的训练[1]。近年来对于《机械工程控制原理》的教学改革研究正在逐步开展，在其教学过程中需重点加强理论和实践的结合，这就对学生提出了更高的要求，学生不仅要在课堂上学好基础理论知识，还要丰富强化自己的实际动手能力，从而使学生加强对理论知识点的理解。如何让学生更好的掌握《机械工程控制原理》这门机械专业的重点课程，本课题组提出将虚拟仿真技术与其他先进的教学方法相结合，发现该教学方法有助于提高该课程的教学效果，并且虚拟仿真教学的成本较低、效率却比较高，可以让学生不受到场地和设备的限制，有机会掌握更多的实践技能，取得更好的教学效果[2-3]。

2、机械工程控制原理的学情分析及改革对策

《机械工程控制原理》这门课程理论性强，学生大多数感到难学，同样的教师也会觉得难教，主要由于该课程所涉及的数学基础知识比较广泛，抽象概念多，教学过程容易枯燥。本课程主要涉及经典控制理论部分，主要教学内容包括了以下方面: 系统数学模型的建立；系统的时间响应分析；系统的频率特性分析； 系统的稳定性分析；系统的性能分析与校正。由于课程内容较为抽象，如果脱离具体的实际机械工程对象完全只作纯粹的理论教学，学生将很难理解和接受，所以完全由必要将理论教学和虚拟仿真实验相结合起来，使教学过程更加具有针对性和具体性。

另外，独立院校工科专业的学生的数理基础相对薄弱，教学计划中也不可能花大量的时间来讲解数理内容，相对于弱化了部分数理知识的要求。而通过本人这几年带《机械工程控制原理》这门课程的经验来看，发现传统的教学过程中，学生要较好的理解书中的概念，必备条件是具有良好的数学基础，这种强调数学基础的教学方法的教学效果非常不好，大多数同学由于基础薄弱，逻辑推理能力较低，面对复杂公式推导求解过程时都望而却步，甚至不愿意再去认真听课，导致最后对这门课失去兴趣，并且一些工程中的数据处理是非常复杂的，人工计算很难实现，像精确的画系统的Nyquist图、Bode图、对系统进行校正等都需要大量的计算。显然这种传统的教学方法不适用独立院校的学生。所以为了减少学生对模型的分析求解问题的畏惧感，非常有必要引入虚拟仿真软件，这样学生能够独立地完成较复杂的模型求解，计算结果也比较直观，便于理解，学生的学习兴趣就更加浓厚。

针对学生在学习《机械工程控制原理》中出现的问题，在教学过程中充分利用现有教学资源，加强物理实验和仿真环节的教学，这不仅使他们加强对抽象概念的理解，而且会使其在学习过程中体会到虚拟仿真技术在工程设计中所起的作用，提高主动性和积极性。

3、以Matlab作为虚拟仿真工具进行教学改革的可行性分析

工程问题的分析计算及图示离不开计算语言，但通常的Fortran、Basic和C等语言用起来并不方便。从20世纪80年代起，出现了科学计算语言，也就是数学软件，因其具有高效、简洁及可视化等特点，在高等工程教育及科学与工程计算中，正迅速取代传统的Fortran、Basic等语言。在自动控制领域内，Matlab语言是当今目前最具影响力和活力的软件之一，是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言，能够满足科学、工程计算和绘图的要求，具有其他软件无法替代的地位。Matlab因为容易处理矩阵、轻松绘图、编程简洁、可扩展性强等优点、更重要的是Matlab的入门较简单，学生完全可以自学相关内容，有利于学生学生的使用，所以将Matlab软件引入《机械工程控制原理》的教学中是完全可行的。

在机械工程控制原理的教学过程中引入Matlab进行辅助教学后，可以将教学的重点放在数学模型的建立，而繁琐的计算和绘图由Matlab来完成。课程的内容可以优化为三大部分，即：建立数学模型组成控制系统；分析系统，主要是时域法和频率特性法；设计系统。这三个部分均可以利用Matlab软件，建模部分用Matlab软件进行拉氏变换、微分方程的求解等。分析部分充分体现了Matlab软件的强大辅助教学作用，可方便的绘制各种相应的曲线（Nyquist图、Bode图和Nichols图），观察各参数的变化对控制系统稳定性和动态特性的影响。在设计部分的教学中，主要是系统的校正，学生在教师的指导下，总结归纳出控制系统的分析方法，用工程案例(实际工程问题)的形式将建立模型、分析系统和设计系统有机联系起来，这一部分既需要学生用掌握的已有知识、机理方法手算推导，还要利用Matlab进行校正分析，这样使学生较完整地初步将机械工程控制理论和设计问题相结合。

此外还可以利用Matlab的动态仿真工具simulink实现机械工程控制系统的建模和仿真，从而来提高分析问题及解决问题的能力。

4、虚拟仿真实例

本文以对控制系统进行频域特性分析为例，描述其虚拟仿真过程。频域分析法作为一种经典分析方法，是用频域特性研究系统的，是研究系统在正弦信号下的稳态响应特性。利用这种方法可直观的表达出系统的特性，分析方法比较简单，物理概念明确。频率曲线主要包括三种：Nyquist图、Bode图和Nichols图。

在Matlab中绘制系统的Nyquist图可采用如下函数调用：

4-1　开环极点的显示结果及Nyquist图

由仿真结果来看，通过输入程序，就可以得到相应的Nyquist图，通过分析开环系统的Nyquist图判断系统是稳定的，并且通过Matlab计算出该系统的所有极点都在左半平面，再一次印证了系统是稳定的，简化了繁琐的数学计算过程，并且可以直观的观察分析结果。

结论：

本文提出以目前较强大的虚拟仿真教学软件Matlab为计算工具，对独立院校的机械专业重点学科课程——《机械工程控制原理》进行教学改革研究。通过分析学生的学习特点，简化繁杂的数学推导过程，与仿真实验相结合，有利于激发学生的学习兴趣。

参考文献：

[1]尚志武,刘国华,贠今天.机械工程控制基础课程教学改革研究[J].新课程研究(中旬刊),2014(12):56-57.

[2]钟志贤,杨桂华.“虚实结合”的《机械工程控制基础》课堂教学改革实践[J].科技创新报,2015,12(09):97-98.

[3]张业明,张燕,吕鲲.提高“机械工程控制基础”课程教学质量的探讨[J].中国电力教育,2013(16):102-103.