浅谈三维软件与MATLAB联合仿真在教学中的应用

摘要：通过示例介绍了CAD软件与MATLAB进行联合建模及仿真分析的步骤，展示了联合建模的直观性和便利性，为以后机械课堂信息化教学组织提供方向。

关键词：CAD;MATLAB;教学

0  引言

机械原理、控制理论不管是在专科或是本科院校中，都是机械学科中一门重要的专业基础课程。机械原理课程直接研究机构的结构、自由度、运动的一门课程;控制理论则是以具体的系统为研究对象，通过对研究对象模型进行设计计算，研究各种控制理论及控制算法的课程。

控制理论主要是研究不同控制算法的，而评判一种控制方法的好坏，主要是通过其系统控制效果的快速性、稳定性、鲁棒性等特点。而系统的快速性、稳定性、抗干扰能力等，这些都是比较抽象的概念，不便于老师教学亦不便于学生理解接受。在教学过程中，若是能将这些抽象的概念具体化，以直观的形式呈现出来，这样老师讲起来方便，更便于学生的理解。此外，智能化信息化的发展与推进，CAD与 CAE技术也快速发展，其中 CAE计算机辅助教学技术也正逐渐在高校中得以应用推广[1-3]。

基于以上分析，在控制教学中引入仿真软件，本文以Pro/E和MATLAB软件为计算机辅助教学工具，利用三维软件画出简单的机械结构，通过Pro/E与SimMechanics接口插件，将模型信息导入MATLAB中，通过加入不同的控制算法，可通过三维动画显示，将系统的快速性、稳定性、抗干扰能力等直观的展现。

1  研究对象建模

SimMechanics 是MATLAB中一种新的可以实现物理建模的模块，其组合建模框架可以实现对繁杂机械系统的设计、分析与优化。SimMechanics 工具箱内嵌模块有多种能够在Simulink仿真环境下直接选取使用的单元，在SimMechanics 工具箱中进行模块的选取与搭建，可以直接在Simulink窗口中搭建研究对象模型。为了加入控制模块进行仿真，还需加入连接纽带：检测与驱动模块，用以将SimMechanics 中组建的研究对象物理模型和普通的Simulink 仿真模块进行关联。 此外，Simulink自身的动态仿真性能，在得到系统整体仿真结果的同时，可实时呈现仿真过程的动画图形。在SimMechanics 模块中搭建系统模型简单方便，通过模块拖拽进行搭接，便可快速得到系统模型，进行各种机械系统的运动仿真分析，并且将仿真结果实时动态展现[4]。

1.1 三维模型

首先利用三维软件的绘图功能，画出研究对象各部件模型，按照运动特性进行约束装配，建立研究对象的物理模型。在CAD中完成三维模型绘制后，通过CAD中预先安装的SimMechanics Link接口插件，将模型信息以.XML 文件形式导出保存，接着打开MATLAB 软件，在MATLAB中导入这个.XML 模型文件。可以看到，MATLAB中根據之前的.XML 文件自动生成了所绘研究对象的SimMechanics仿真模型框图，对自动生成的模型进行运行，检查模型是否存在错误，各模块质量、位置是否准确，其流程如图1所示。

1.2 MATLAB仿真模型

此处与传统的数学推倒计算建模方式不同，MATLAB作为一种全新的建模方式，可以快速地对各种机械系统进行建模，面对复杂、数学计算量大的系统，更能体现通过SimMechanics建模的便利性。SimMechanics工具箱本身提供了一系列快速建模模块，通过拖拽工具箱中的模块，进行参数设置，可以快速将系统中各零件及其连接关系在Simulink窗口中表示出来，并通过SimMechanics工具箱中的检测与驱动模块完成与普通Simulink各模块的联接，搭建形成一个完整的系统模型。

在MATLAB工作窗口中输入指令，找到前面保存的.XML倒立摆模型文件，导入Simulink中直接生成研究对象初始仿真模型，如图2中蓝色边框模块所示。此时导入的模型只是物理机械模型，还需加入控制器与Simulink环境中各模块进行关联控制，如：测试、检测、驱动等模块，形成完整的控制仿真系统。如图2中的绿色边框单元，以便完成控制仿真设计。图2中紫色模块用来进行系统模型初始值的设置。

2  仿真

加载到Matlab中的SimMechanics物理模型就相当于实际的研究对象，在Simulink窗口中进行仿真时，系统将自动进行数据转换，进行反馈计算控制。仿真过程通过加入编码器、驱动模块等进行交互。Simulink界面中点击运行后，软件界面会自动弹出三维模型实时仿真图，如图3，与用CAD绘制的模型完全一致，更加立体、直观地显示出仿真过程，包括系统稳定性、快速性等。

3  结束语

通过三维软件与仿真软件联合建模仿真，在实际工程中大大简短了工作时间和工作量。将其运用于教学中，符合信息化教学的要求，改变传统文字理论教学的形式，丰富课堂环节，并且将抽象、复杂的知识点，通过三维动画直观呈现，既调动了学生的积极性、提高学生学习兴趣及课堂教学质量，使学生更好理解掌握理论知识，亦培养学生通过学习多种软件解决问题的能力。

参考文献：

[1]陈慧鹏，陈国金.《机械原理》教学中Pro/E与Simmechanics的应用[J].长江大学学报（自科版），2013，10（22）：135-137.

[2]余冬玲，熊家凯，袁明.ADAMS在机械原理实践教学中的应用[J].科教文汇（上旬刊），2018（10）：57-58.

[3]李俏，伍先明，王鹏程，黄永程.Adams在机械原理课程教学中的应用研究[J].机械管理开发，2018，33（11）：55-56，165.

[4]张新荣，马杰，张才斗，等.基于MATLAB倒立摆可视化建模仿真与控制[J].计算机工程与设计，2018，39（10）：3214-3219.