Matlab在機電一體化專業(yè)教改實踐中的應(yīng)用探討

馮巧紅，韓 江

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

Matlab在機電一體化專業(yè)教改實踐中的應(yīng)用探討

馮巧紅，韓 江

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

機電一體化人才是當(dāng)前社會急需的復(fù)合型人才，但在目前的高職教育方式下培養(yǎng)出的人才在一定程度上還不能適應(yīng)市場需求。本文在現(xiàn)有的機電一體化教改基礎(chǔ)上，提出了一種新的具體的教學(xué)方案，以期適應(yīng)現(xiàn)代化人才培養(yǎng)模式。

機電一體化；Matlab/Simulink；模塊；仿真

一、引言

目前，教學(xué)改革（尤其是課程體系改革）已經(jīng)成為各所高職院校不同發(fā)展時期的重要研究內(nèi)容之一。伴隨機電一體化技術(shù)的快速發(fā)展，國家對機電一體化人才的需求也日益擴大。以服務(wù)市場需求為目標(biāo)的高職教育也就不得不因時而動，大力推進機電一體化專業(yè)的教學(xué)改革。隨著改革的深入進行，幾乎每所高職院校都已經(jīng)形成了一套自己的改革方案。這些方案雖然在理論上基本成熟，但具體實施起來卻總是差強人意，很難從真正意義上培養(yǎng)出真正適合社會需求的人才。其具體原因主要在教學(xué)環(huán)節(jié)的實施保障上面，主要體現(xiàn)為現(xiàn)有的教學(xué)模式和教學(xué)方法與改革發(fā)展不同步。

二、機電一體化專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)和教改現(xiàn)狀

實行教學(xué)改革的首要任務(wù)必須先認(rèn)清本專業(yè)人才的培養(yǎng)目標(biāo)，只有知己知彼才能實現(xiàn)百戰(zhàn)百勝。機電一體化專業(yè)要求的是“機”和“電”的“有機融合”，而非簡單的“加和”。也就是說，機電一體化專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)該是在具備一定機械加工和機械設(shè)計基礎(chǔ)上，能利用計算機、電氣控制等知識和手段來控制機電產(chǎn)品。它既不同于傳統(tǒng)的機械專業(yè)，也有別于電氣專業(yè)和自動控制專業(yè)。因而，在課程設(shè)置上就要求能充分體現(xiàn)出“機”和“電”的融合。現(xiàn)在，許多院校都采用理論上比較成熟的模塊化教學(xué)方式。不同院校有自己不同的模塊方案，但總的來說，無外乎基礎(chǔ)教學(xué)模塊、機械基礎(chǔ)模塊、電氣基礎(chǔ)模塊和控制基礎(chǔ)模塊等幾個方面。這些模塊教學(xué)方案從理論上來說是符合現(xiàn)實社會對機電一體化人才的需求的。但是，事實是，在這些模塊化教學(xué)方式下培養(yǎng)出來的學(xué)生的水平、能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于我們的期望。究其緣由，既不是學(xué)院的浮于形式、落實不到位；也不是老師的教學(xué)水平低下，知識傳授不深入；更不是學(xué)生的消極惰學(xué)，而是最終沒有實現(xiàn)這些模塊之間的有機結(jié)合。學(xué)生從不同的課程中學(xué)到了不同的知識，但這些知識只是一些零散的、彼此沒有聯(lián)接的散件。就好比一個人擁有了蓋建一間房屋所需的足夠的磚頭和木料，但并等于他就可以建好一間房子。他必須還得有足夠的水泥、砂漿等其他材料，把手中的磚頭以一定方式壘砌起來，才能建好他要的房屋。我們的實際教學(xué)中就缺少了能系統(tǒng)的將現(xiàn)有的教學(xué)模塊聯(lián)接起來的一個紐帶。在這里，我將向大家推出一個可以實現(xiàn)將現(xiàn)有的教學(xué)模塊聯(lián)系起來的方法：就是將Matlab/Simulink軟件教學(xué)融入到模塊化教學(xué)當(dāng)中，實現(xiàn)不同模塊的有機結(jié)合。

三、Mat lab/Simul ink簡介

MATLAB的含義是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）。是1980年美國MathWork公司推出的一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件，它集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。在這個平臺上，用戶只需對所要解決的問題簡單地列出數(shù)學(xué)表達(dá)式，就可以數(shù)值或是圖形的方式得到求解。經(jīng)過20年的完善和發(fā)展，MATLAB由早期的3.x（DOS）版本到今天的MATLAB7.0(R14)版本，其功能在逐步強大。它不僅作為一個有力的數(shù)學(xué)工具，更成為了眾多科學(xué)領(lǐng)域的實用工具。獲得了國際學(xué)術(shù)界的一致認(rèn)可，是學(xué)術(shù)研究部門也是進行高效研究和開發(fā)首選的軟件工具。如美國的National Instruments公司的信號測量和分析軟件LabVIEW，Cadence公司的信號和通信分析軟件SPW等，都是直接建立在MATLAB之上，或是以MATLAB為主要支撐；又如TM公司的DSP，HP公司的VXI硬件，Gage的各種硬卡、儀器等都接受MATLAB的支持。從一定程度上可以說，目前在相關(guān)領(lǐng)域還沒有能與之匹敵的計算機軟件。

Simulink是MATLAB環(huán)境下的工具軟件包。它主要用于動態(tài)系統(tǒng)的建模、仿真和分析。它可進行線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)分析，還可進行連續(xù)時間、離散時間或是混合分析。它的界面更加友好，他提供了豐富的模塊庫，用戶只需將自己需要的模塊直接拖放到屏幕中并將它們聯(lián)系起來即可。同時，它的開放式的結(jié)構(gòu)和交互式的仿真方式也為眾多行業(yè)人員所推崇。它不僅可以使我們方便快捷地建立各種模型，而且可以讓我們清晰地了解各個器件、各個系統(tǒng)之間的關(guān)系。而且，Simulink在仿真領(lǐng)域得到了廣泛的信任和認(rèn)可，許多軟件都支持。它可以用于航空、電力、機械、通信甚至社會和經(jīng)濟等多個領(lǐng)域。

四、Mat lab在機電一體化專業(yè)教改中的實踐應(yīng)用

將Matlab/Simulink軟件教學(xué)引入高職機電一體化專業(yè)教學(xué)中，并不是要求將它作為一門獨立學(xué)科進行教學(xué)，而是將軟件學(xué)習(xí)融入到不同模塊教學(xué)過程中，也就是化整為零，將Matlab分解為幾個部分，分別貫穿到不同的學(xué)科教學(xué)中。其具體實施方案如下：

首先，在基礎(chǔ)模塊教學(xué)中插入Matlab的基礎(chǔ)入門。高等數(shù)學(xué)是一門理論性很強的基礎(chǔ)學(xué)科，是工科學(xué)生的必修必考課。一直以來，數(shù)學(xué)教學(xué)過程中都是“教師講、學(xué)生聽”，這種教學(xué)方式不但容易讓學(xué)生厭倦，也不利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和解決實際問題的能力，更不適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展的需求。如果在課堂教學(xué)中引入Matlab軟件基礎(chǔ)教學(xué)，利用Matlab強大的計算功能，將某些復(fù)雜的數(shù)值計算簡單化，一些抽象的概念具體化和形象化，可以使眾多復(fù)雜而繁瑣的計算過程得以簡化。這不但讓學(xué)生從繁重的計算工作中解放出來，通過程序的輸入，還可以使學(xué)生在潛移默化中理解一些運算的數(shù)學(xué)原理，同時，還能提高他們的計算機操作技巧。讓學(xué)生從被動的聽課、手工的計算轉(zhuǎn)為計算機的實際操作，在很大程度上可以提高他們的學(xué)習(xí)興趣。

第二，在電氣模塊教學(xué)中貫穿Matlab/Simulink/SimPowersystem的學(xué)習(xí)使用。在電氣知識教學(xué)中，經(jīng)常需要對一些簡單或是復(fù)雜的電路進行計算和分析。在人們印象中，電學(xué)是枯燥無味的，因為它看不見、摸不著（當(dāng)然也不能摸），盡管現(xiàn)在也出現(xiàn)了很多的電路仿真軟件（如EWB、Multism等），可以實現(xiàn)電路的實時仿真和分析，但是這些軟件在很大程度上都局限于一定范圍內(nèi)的仿真，而且缺乏與其他軟件的接口。而Simulink下的SimPowersystem工具箱則提供了大量的用于電類系統(tǒng)的仿真，它可以用于電路、電力電子、電機系統(tǒng)、電力傳輸?shù)阮I(lǐng)域的仿真。而Matlab最大的優(yōu)點就是它可以實現(xiàn)多種軟件的聯(lián)接和支持。在電類課程教學(xué)中，可以通過建立電類仿真模型具體分析電路的實際波形和電機的運行特性。讓學(xué)生在此平臺上構(gòu)建一些實用的電路模型，幫助他們觀察和分析電路的各種狀態(tài)并可以了解電路的具體原理。如在這里可以讓學(xué)生自己動手構(gòu)建三相整流、濾波、穩(wěn)壓、逆變等線路并實現(xiàn)對三相電機的控制，并且將這些模型封裝為子系統(tǒng)加以保存，以備后用。

第三，在機械模塊教學(xué)中，融合SimulinkSim/Mechanics的學(xué)習(xí)使用。在機械模塊教學(xué)中，要涉及到機械原理和一些簡單的機械系統(tǒng)的設(shè)計和分析。而Simulink則為我們提供了一個構(gòu)建系統(tǒng)模型的簡易操作平臺，并且不需要復(fù)雜的運算和繁瑣的作圖。如在Simulink下可以構(gòu)建一些液壓系統(tǒng)模型，設(shè)置好參數(shù)，就可以實時觀察液壓系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和運動過程。同時SimMechanics還提供了大量的機械模塊可直接利用它們實現(xiàn)一些簡單機構(gòu)的運動模型，并且可以隨時改變其約束條件和聯(lián)接方式，及時觀察所設(shè)機構(gòu)在變參數(shù)下運行時的工作特性。如果可能，還可以做成動畫模式，也就是把書上的機構(gòu)變活，提高了學(xué)習(xí)過程的趣味性。另外，我們還可以將我們學(xué)習(xí)過程中利用其他一些建模軟件（如PRO/E、UG、SolidWorks）所建立的實體模型添加到SimMechanics中以供所需之用。

第四，在控制基礎(chǔ)教學(xué)中，充分綜合Matlab/Simulink的實際使用。在學(xué)習(xí)控制理論過程中，正好充分利用前面所學(xué)的Matlab/Simulink的知識來實現(xiàn)運算、建模和分析等環(huán)節(jié)來實現(xiàn)控制系統(tǒng)仿真功能。將學(xué)習(xí)過程中繁瑣的拉氏變換、復(fù)雜的頻域響應(yīng)曲線、煩人的波特圖的繪制全部交給計算機來完成，正好將前面分散學(xué)習(xí)的Matlab知識全部綜合起來，完成這一學(xué)科的完整學(xué)習(xí)，并利用它來實現(xiàn)我們的關(guān)于“機”和“電”的結(jié)合。

最后，可以在老師的指導(dǎo)或是布置下，進行機電一體化畢業(yè)設(shè)計。課題主旨就是建立一個完整的機電控制系統(tǒng)并對其仿真分析。如實現(xiàn)直流電機的雙閉環(huán)調(diào)速并用它完成對具體對象的運動控制等。而完成這一任務(wù)所需的知識和素材都包含在平時的學(xué)習(xí)過程中，我們只需將平時課程學(xué)習(xí)中所建立的各個子系統(tǒng)調(diào)出，通過Simulink將它們以一定方式聯(lián)接起來即可。這既是對三年所學(xué)的全部總結(jié)，也是對以前全部學(xué)習(xí)的復(fù)習(xí)。經(jīng)過這一系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和最終的綜合，學(xué)生對機電系統(tǒng)應(yīng)該有了比較全面的認(rèn)識和了解。其知識水平和學(xué)習(xí)能力可以大幅提高，真正成為知識經(jīng)濟社會所需的機電一體化專業(yè)人才。

五、總結(jié)

從上面的實施過程來看，Matlab正好作為一條聯(lián)接各個教學(xué)模塊的紐帶，將原本分散的各個模塊有機地結(jié)合起來，真正意義上實現(xiàn)了學(xué)習(xí)過程的連續(xù)性和完整性。另外，Matlab也是從事不同行業(yè)的研究人員的首選工具，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。通過三年的不間斷學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握它的基本應(yīng)用，還可以在今后的實際工作中繼續(xù)學(xué)習(xí)和使用，從一定程度上來說，這又為終身教育奠定了一定的基礎(chǔ)。當(dāng)然，完全按照這個方案進行教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計，對我們的老師也就毋庸置疑地提出了更高的要求。它要求我們老師必須先掌握這一軟件的使用，并能將之有機地結(jié)合到實際教學(xué)中，這需要我們的老師付出很多甚至是艱辛的努力才能實現(xiàn)。但是，我想這應(yīng)該不能成為反對這一方案的理由，因為在高職教改中，強化師資力量建設(shè)應(yīng)該是重中之重，是改革發(fā)展的核心因素，也是改革實施的保障。以上是基于我多年的教學(xué)經(jīng)驗和大量的調(diào)查研究基礎(chǔ)上的設(shè)想，希望以此為契機，拋磚引玉，引發(fā)高職教育的進一步改革和快速發(fā)展。

G712 < class="emphasis_bold">文獻標(biāo)識碼：A

A

1671-5993（2010）03-0019-03

2010-05-10

馮巧紅（1974-），女，安徽天長人，合肥工業(yè)大學(xué)機械與汽車學(xué)院在讀研究生。