运用MATLAB仿真软件促进《机械控制工程基础》课程教学的改革与实践

基于 MATLAB软件软件虚拟仿真机械原理课程设计改革摘要：以全国大学生工程训练竞赛作为抓手，对机械原理课程设计进行改革。

机械原理课程设计题目改革为无碳小车的设计。

无碳小车的设计包括齿轮设计、凸轮设计、带传动设计等。

在设计过程中利用MATLAB软件软件对无碳小车的行驶轨迹进行虚拟仿真。

关键词：机械原理、无碳小车、虚拟仿真机械原理课程设计题目改革为无碳小车的设计，主要分为：动力转换机构、传动机构、执行机构、转向机构、轨迹虚拟仿真设计。

以双8轨迹的无碳小车为例，在宽2.4米，各个柱子间距为335mm，绕柱子进行双8字环绕，并且在环绕过程中不能触碰各个柱子。

动力转换机构的功能是将重物的重力势能转换为主动齿轮的机械能，从而把重力势能转换为小车前进的动能。

通过方案比对，选择了效率好、结构简单的绳轮式结构，采用细线和定滑轮机构，细线两端分别拴在重锤上和缠绕在卷线筒上，而卷线筒固定在主动轴上，使重物的重力可以成功转换为驱动轮上的扭矩，从而带动主动齿轮产生动力。

卷线筒的直径对车速及小车的稳定性起着至关重要的作用，合理的卷线筒直径是保证小车平稳匀速完成全程的前提。

传动机构的主要功能是将动力和运动传递到转向机构和驱动机构上，要使小车行驶的更远及按设计的轨迹精确地行驶，传动机构必须效率高、传动稳定、结构简单重量轻等。

小车的运动只有重物提供动力源，所以后轮和转向机构的动作都需要通过传动机构来获得。

后轮旋转时，卷线筒在重物的牵引下产生扭矩使得主动轴转动。

另一方面，动力也需要传递到转向机构上，带动凸轮机构转动，完成转向机构的动作。

执行机构为1个前轮、2个后轮，轮子有厚薄之分，大小之别，材料之不同需要综合考虑。

由摩擦理论知道摩擦力矩与正压力的关系为M = N·对于相同的材料δ为一定值。

滚动摩擦力为f = =所以轮子越大小车受到的阻力越小，因此能够走的更远。

但由于加工，材料，安装等问题具体尺寸需要进一步分析确定。

由于小车是沿着曲线前进的，2个后轮之间必定会产生差速，而双轮同步驱动必定会与地面打滑，由于滑动摩擦比滚动摩擦大会造成大量的能量损失，同时小车前进收到过多的约束，无法确定其轨迹，不能沿着预计轨迹避障。

Matlab在《机械控制工程基础》课程教学中的应用探讨宋强【摘要】扼要叙述了Matlab软件的发展及其应用现状；在教学实践的基础上,举实例说明Mmatlab在《控制工程基础》课程教学中从数学建模、时域与频域分析到根轨迹的应用；从多方面探讨了在教学过程中,如何更好地利用Matlab软件.【期刊名称】《机械管理开发》【年(卷),期】2012(000)002【总页数】2页(P169-170)【关键词】Matlab;教学应用;控制工程基础【作者】宋强【作者单位】安阳工学院机械工程学院,河南安阳455000【正文语种】中文【中图分类】G642.30 引言《控制工程基础》是我校机械类、机电类专业的一门重要的专业基础课，是本科生后续课程的基础，它在专业课程体系中占有重要地位。

由于该课程内容丰富、理论性强、涉及知识面广、信息量大、更新发展快，而且比较抽象、习题多、难度大，再加上目前专业课时的不断压缩，因此，如何在较短的时间内提高课堂教学效率取得较好的教学效果就成为教师讲授该门课程时不得不考虑的一个重要问题。

实践性教学环节也是该课程教学的重要环节，但在实验中由于受现有硬件设备条件的限制，经常会使实验值与理论值不相吻合，达不到预期的实验效果[1]。

因此，我校以计算机辅助教学为手段，将Matlab与相关课程进行了整合，为教学带来了极大的灵活性和便利性。

1 M A TLA B在《控制工程基础》教学中的应用1.1 控制系统数学模型建模控制系统数学模型是控制系统分析研究的基础。

应用Matlab辅助软件来分析控制系统，首先需要建模，其建模主要是以函数形式表示和Simulink模型。

函数形式如用tf()函数来建立控制系统的传递函数模型，用zpk()函数来建立零极点增益模型，用tf2zp()和zp2tf()函数来实现传递函数模型和零极点增益模型的相互转换，用cloop()函数来建立单位反馈或者用函数feedback()来构成其它反馈[2]。

红河学院工学院实验报告单《机械工程控制基础》Matlab仿真实验报告单课程名称：《机械工程控制基础》实验姓名：日期：成绩：年级专业：2011级机械工程学号：实验场地：任美福楼222实验三：二阶线性系统时域性能指标的Matlab仿真实验一、实验内容。

1、二阶线性系统2424s s++单位阶跃响应的时域性能指标。

2、二阶线性系统236 1236s sξ++，当0.1,0.4,0.7,1,2,3ξ=时，单位阶跃响应的Matlab仿真。

3、二阶线性系统222nn ns sωωω++，当0.5,1,1.5,3,5,10nω=时，单位阶跃响应的Matlab仿真。

二、实验目的。

1、熟悉Matlab操作；2、常握Matlab中二阶线性系统的时域性能指标的求法。

3、常握Matlab中二阶线性系统无阻屁固有频率不变，阻尼比变化时对单位阶跃响应的影响，以及阻尼比不变时，无阻尼固有频率变化时对单位阶跃响应的影响。

三、相关Matlab仿真程序与仿真图形。

四、根据实验结果，讨论：（1）当二阶线性系统无阻尼固有频率不变时，阻尼ω比ξ对调节时间的影响；（2）当二阶线性系统阻尼比不变时，无阻尼固有频率n 对调节时间的影响；附件：程序1 二阶线性系统2848s s ++单位阶跃响应的时域性能指标。

clearnum=[8];den=[1 4 8];disp('二阶系统传递函数') %运行结果显示“二阶系统传递函数”这样的字样。

disp是一命令。

Gs=tf(num,den)disp('无阻尼固有频率与阻尼比')[Wn Xita ]=damp(Gs) %damp 是一个命令，用于求取传递函数的无阻尼固有频率、阻尼比、极点。

Wn 是一变量符号，表示无阻尼固有频率n ω，Xita 一变量符号，表示阻尼比ξ。

Wn=Wn(1) %取无阻尼固有频率。

Xita= Xita(1) %取阻尼比disp('二阶系统性能指标如下')tr=(pi-atan(sqrt(1-Xita^2)/ Xita))/Wn/sqrt(1-Xita^2) %上升时间tp=pi/Wn/sqrt(1-Xita^2) %峰值时间ts= 3.5/Xita/Wn %调整时间Mp= exp(-pi*Xita/sqrt(1-Xita^2))*100 %最大超调量程序2 二阶线性系统2641664s s ξ++，当0.1,0.2,0.4,0.7,1.0,2.0ξ=时，单位阶跃响应的Matlab 仿真。

控制工程实训课程学习总结基于MATLAB 的系统建模与仿真实验报告摘要：本报告以控制工程实训课程学习为背景，基于MATLAB软件进行系统建模与仿真实验。

通过对实验过程的总结，详细阐述了系统建模与仿真的步骤及关键技巧，并结合实际案例进行了实验验证。

本次实训课程的学习使我深入理解了控制工程的基础理论，并掌握了利用MATLAB进行系统建模与仿真的方法。

1. 引言控制工程是一门应用广泛的学科，具有重要的理论和实践意义。

在控制工程实训课程中，学生通过实验来加深对控制系统的理解，并运用所学知识进行系统建模与仿真。

本次实训课程主要基于MATLAB软件进行，本文将对实验过程进行总结与报告。

2. 系统建模与仿真步骤2.1 确定系统模型在进行系统建模与仿真实验之前，首先需要确定系统的数学模型。

根据实际问题，可以选择线性或非线性模型，并利用控制理论进行建模。

在这个步骤中，需要深入理解系统的特性与工作原理，并将其用数学方程表示出来。

2.2 参数识别与估计参数识别与估计是系统建模的关键，它的准确性直接影响到后续仿真结果的可靠性。

通过实际实验数据，利用系统辨识方法对系统的未知参数进行估计。

在MATLAB中，可以使用系统辨识工具包来进行参数辨识。

2.3 选择仿真方法系统建模与仿真中，需要选择合适的仿真方法。

在部分情况下，可以使用传统的数值积分方法进行仿真；而在其他复杂的系统中，可以采用基于物理原理的仿真方法，如基于有限元法或多体动力学仿真等。

2.4 仿真结果分析仿真结果的分析能够直观地反映系统的动态响应特性。

在仿真过程中，需对系统的稳态误差、动态响应、鲁棒性等进行综合分析与评价。

通过与理论期望值的比较，可以对系统的性能进行评估，并进行进一步的优化设计。

3. 实验案例及仿真验证以PID控制器为例，说明系统建模与仿真的步骤。

首先，根据PID控制器的原理以及被控对象的特性，建立数学模型。

然后，通过实际实验数据对PID参数进行辨识和估计。

·综合研究·收稿日期：2011－04－25作者简介：王蕊（1982-），女，天津人，硕士研究生，助教。

研究方向：机电控制及自动化。

0引言随着科学技术和工业生产的迅速发展，用机械工程控制论分析和解决工程实际问题显得日益重要。

传统的教学媒体已不能满足《机械控制工程基础》课程数学推导多、绘图工作量大、实践性强等要求，在有限的课时内无法进行内容的扩展，学生对抽象的控制理论难以理解，学习兴趣不浓。

计算机技术的飞速发展和广泛应用，给传统教学提供了大量现代化的教学手段。

Matlab 软件在《机械控制工程基础》中的合理运用，可以有效扩充教学信息，使教学生动形象，紧密联系工程实际，适应新形势下的教学要求。

1教学改革探讨1.1课程性质与特点《机械控制工程基础》是机械工程类学生一门重要的专业基础课，它从时域、频域两个方面系统地介绍了经典控制理论的主要内容，重点讲述控制理论及控制系统的分析和设计。

通过学习该课程，学生能以动态的观点看待一个机械工程系统；能从整个系统中的信息传递、转换和反馈等角度分析系统的动态行为；能结合工程实际，应用经典控制论的理论和方法分析、研究和解决实际的问题[1,2]。

该课程把数理知识与专业课程紧密结合起来，研究的是在工程实际的基础上抽象出来的控制系统的共性问题，对理论性和实践性要求都很强，而且所包含的信息量大，更新和发展也比较快，具有一定的深度和难度。

这无疑会使学生在学习中感到吃力、乏味，主动性变差，产生厌学情绪，从而影响该课程的教学质量。

因此，对《机械控制工程基础》传统的教学模式进行适当的改革，对于提高该课程的教学质量，建立和谐的专业知识结构都是十分必要的。

1.2教学应用Matlab 的必要性Matlab 的含义是矩阵实验室（MATRIX LABORATO -RY ），是一套高性能的数值计算和可视化数学软件。

Matlab 集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，并提供了大量的内置函数，构成了一个方便、界面友好的用户环境，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计。

目录前言 (1)第一章绪论 (2)1.1 课程简介........................................................... (2)1.2 课题的意义………………………………………………...… .21.3 Mat lab的简介与发展……………………………………..…… .21.4 课题内容 (5)第二章研究的内容和原理 (10)2.1 一阶系统…………………………………………………...…… ..102.2 二阶系统………………………………………………………… .102.3 Nyquist图和Bode图 (12)第三章运用Simulink模块 (14)3.1 一阶系统 (14)3.2 二阶系统 (18)第四章用Mat lab绘出Bode图和Nyquist图 (20)4.1 设计目的 (20)4.2 设计内容 (20)4.3 设计原理................................................... . (20)4.4 设计说明 (22)第五章波形的生成 (33)5.1 设计目的 (33)5.2 设计内容 (33)5.3 设计原理 (33)5.4 设计说明 (33)第六章结论 (36)参考文献... . (37)致谢.......................................................... .. (38)前言随着科学技术的发展使得各种系统的建构模型与仿真系统变得日益复杂起来。

如何快速有效地构建系统并进行系统仿真，已经成为各领域学者急需解决的核心问题。

特别是近几十年来，随着计算机技术的迅猛发展，仿真技术在各个领域都得到了广泛的应用与发展。

而MATLAB作为当前国际控制界最流行的面向工程与科学计算的高级语言，它可轻易地在现C或FORTRAN语言几乎全部的功能，并设计出功能强大、界面优美、稳定可靠的高质量程序来，而且编程效率和计算效率极高。

《机械工程控制基础》MATLAB分析与设计仿真实验报告《机械工程控制基础》MATLAB 分析与设计仿真实验任务书（2014）一、仿真实验内容及要求1．MATLAB 软件要求学生通过课余时间自学掌握MATLAB 软件的基本数值运算、基本符号运算、基本程序设计方法及常用的图形命令操作；熟悉MA TLAB 仿真集成环境Simulink 的使用。

2．各章节实验内容及要求1）第三章 线性系统的时域分析法∙ 对教材第三章习题3-5系统进行动态性能仿真，并与忽略闭环零点的系统动态性能进行比较，分析仿真结果；∙ 对教材第三章习题3-9系统的动态性能及稳态性能通过仿真进行分析，说明不同控制器的作用；∙ 在MATLAB 环境下选择完成教材第三章习题3-30，并对结果进行分析；∙ 在MATLAB 环境下完成英文讲义P153.E3.3；∙ 对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，在100=a K 时，试采用微分反馈控制方法，并通过控制器参数的优化，使系统性能满足%5%,σ<3250,510s ss t ms d -≤<⨯等指标。

2）第四章 线性系统的根轨迹法∙ 在MATLAB 环境下完成英文讲义P157.E4.5；∙ 利用MA TLAB 绘制教材第四章习题4-5；∙ 在MATLAB 环境下选择完成教材第四章习题4-10及4-17，并对结果进行分析；∙ 在MATLAB 环境下选择完成教材第四章习题4-23，并对结果进行分析。

3）第五章 线性系统的频域分析法∙ 利用MA TLAB 绘制本章作业中任意2个习题的频域特性曲线；4）第六章 线性系统的校正∙ 利用MA TLAB 选择设计本章作业中至少2个习题的控制器，并利用系统的单位阶跃响应说明所设计控制器的功能；∙ 利用MA TLAB 完成教材第六章习题6-22控制器的设计及验证；∙ 对英文讲义中的循序渐进实例“Disk Drive Read System”，试采用PD 控制并优化控制器参数，使系统性能满足给定的设计指标ms t s 150%,5%<<σ。

机械控制工程基础实验报告学院工学院职业技术教育学院班级机械设计制造及其自动化姓名XXX学号xxxxxxxx实验项目名称： Matlab语言基础实验《机械控制工程基础》实验报告之一一、实验目的和要求1、掌握Matlab软件使用的基本方法2、熟悉Matlab的数据表示、基本运算和程序控制语句3、熟悉Matlab绘图命令及基本绘图控制4、掌握Matlab软件求拉普拉斯变换与逆变换基本方法二、实验内容1) MATLAB工作环境平台Command图1 在英文Windows 平台上的MATLAB6.5 MATLAB工作平台①命令窗口（Command Window）命令窗口是对 MATLAB 进行操作的主要载体，默认的情况下，启动MATLAB 时就会打开命令窗口，显示形式如图 1 所示。

一般来说，MATLAB的所有函数和命令都可以在命令窗口中执行。

掌握 MALAB 命令行操作是走入 MATLAB 世界的第一步。

命令行操作实现了对程序设计而言简单而又重要的人机交互，通过对命令行操作，避免了编程序的麻烦，体现了MATLAB所特有的灵活性。

在运行MATLAB后，当命令窗口为活动窗口时，将出现一个光标，光标的左侧还出现提示符“>>”，表示MATLAB正在等待执行命令。

注意：每个命令行键入完后，都必须按回车键！当需要处理相当繁琐的计算时，可能在一行之内无法写完表达式，可以换行表示，此时需要使用续行符“…”否则 MATLAB 将只计算一行的值，而不理会该行是否已输入完毕。

使用续行符之后 MATLAB 会自动将前一行保留而不加以计算，并与下一行衔接，等待完整输入后再计算整个输入的结果。

在 MATLAB 命令行操作中，有一些键盘按键可以提供特殊而方便的编辑操作。

比如：“↑”可用于调出前一个命令行，“↓”可调出后一个命令行，避免了重新输入的麻烦。

当然下面即将讲到的历史窗口也具有此功能。

②历史窗口（Command History）历史命令窗口是 MATLAB6 新增添的一个用户界面窗口，默认设置下历史命令窗口会保留自安装时起所有命令的历史记录，并标明使用时间，以方便使用者的查询。