学习过程中不仅要熟悉掌握各个专业知识和关键技术，还要去理解机械电子学的精髓，掌握机电一体化的理论实践方法，以便能够很好地运用这些技术。但在实际教学过程中发现，由于各种原因，学生对信息、控制及系统论方面知识比较欠缺，并且由于硬件教学条件的限制，许多机电实验无法正常进行，这给《机械电子学》课程的教学形成了一定的阻碍。
MATLAB作为工程领域最为流行的仿真软件之一，已被广泛应用于信号处理、电路设计与仿真、控制、机械、管理等领域，其提供的图形界面仿真手段——Simulink，使得机电系统的建模与仿真效率得到大大提高[2-3]。本文就MATLAB在《机械电子学》课程教学中的应用做一些探讨。
一、课程研究内容及难点
机械电子学是一个综合的概念，包含了技术和产品两方面的内容，首先是机电一体化技术，其次是机电一体化产品。机电一体化的原理、技术、设计理论和方法，构成了机械电子学的研究内容。
机电一体化技术是以系统论、控制论和信息论为理论基础和方法论，在机械技术、微电子技术、计算机和信息处理技术等现代高新技术群体基础上发展起来的一种高新技术。概括起来，机电一体化共性关键技术主要有六项：机械技术、计算机与信息处理技术、检测与传感技术、自动控制技术、伺服驱动技术、系统总体技术，其基本体系结构如图1所示[4]。机电一体化产品是富含高新技术的技术密集型产品。机电一体化为机械产品注入了新的技术，把计算机和电子器件的传感检测、信息处理、自动控制等功能融合到机械装置中去，从而获得了过去只靠一种技术而无法实现的功能和效果，在功能、性能、质量和效率等方面都有高水平的发展。机电一体化技术应用系统工程的观点和方法来分析、研究机电一体化产品或系统，综合应用各种现代高新技术进行产品设计和开发，通过各种技术的有机结合，实现产品内部各组成部分的合理配置和外部的整体性能最佳。因此，机电一体化产品表现出整体结构最佳化、系统控制智能化和操作性能柔性化。
机电系统静态和动态设计是课程的核心内容，要求学生能够从系统设计的角度分析机械系统和微机控制系统的元部件特性，掌握机电系统稳态和动态设计的分析方法。但是，动态系统设计涉及到的知识既有系统论和控制论方面内容，又有诸如系统动态参数整定等实践性非常强的内容，学习难度相当大。鉴于此，在该课程的教学实践中，笔者以计算机为工具，借助于MATLAB仿真技术，充分利用其强大的优化设计及仿真分析能力，把该课程中抽象内容形象、直观地表达出来，取得了良好的效果。
二、基于MATLAB的教学方法
在《机械电子学》课程的整个教学环节中，需要涉及机械传动系统、执行元件以及控制系统等多个用于实现机电有机结合的功能模块，如何将这些不同系统、模块的共性表达出来，是帮助学生理解、消化并建立学习主线，是实现各个章节知识串联的一个重要环节。MATLAB工具可以实现该功能，通过采用该软件对不同类型的系统进行仿真和特性分析，不仅使学生对机电系统特性有了直观的认识，而且帮助学生掌握了一门有用的学习工具，为以后的学习和工作奠定一个良好的基础。
在教学过程中，可以通过MATLAB/Simulink实现机电系统动态仿真功能，解决学生对系统动态特性的理解只是停留在公式这一难题；可以通过调节模型参数，研究延迟力矩和积分控制器的效果，让学生对控制以及一些典型的调节手段有了更为直观的认识；还可以利用提供的大量机械模块的仿真工具包，通过这些工具，可以方便地对一些常见的机械元、部件进行特性分析，如液压元件、齿轮传动系统等，并能随时改变约束条件和连接方式，及时观察所设机构在变参数下运行时的工作特性。
综上所述，基于MATLAB建成一个能够模拟实际系统问题的虚拟实验室，从而加深学生对知识的认识和理解，掌握其基本分析方法。
三、基于MATLAB的教学内容
基于MATLAB的教学内容主要包括五个方面：
1.利用MATLAB分析系统时间响应。在完成系统间响应求解方法的讲解以及系统时域指标的讨论后，将利用MATLAB提供的函数系统在不同输入作用下的时间响应，并在单位阶跃响应的基础上，求取系统时域性能指标。在MATLAB中，可以采用impulse函数、step函数、lsim函数对线性连续系统的时间响应进行仿真计算。其中，impulse函数用于生成单位脉冲响应，step函数用于生成单位阶跃响应，lsim函数用于生成对任意输入的时间响应。在求出系统的单位阶跃响应以后，根据系统性能指标的定义，分析系统上升时间、峰值时间、最大超调量和调整时间等性能指标。
2.利用MATLAB分析系统频率特性。Nyquist图和Bode图是系统频率特性的两种重要的图形表示形式，也是对系统进行频率特性分析的重要工具。MATLAB提供了绘制系统频率特性极坐标图的nyquist函数和绘制对数坐标图的bode函数，通过这些函数不仅可以得到系统的频率特性图，而且还可以得到系统的幅频特性、相频特性、实频特性和虚频特性，从而通过计算得到系统的频域特征量。
3.利用MATLAB分析系统的稳定性。在MATLAB中，如果已知系统的特征方程，应用roots函数可以直接求出系统的特征根。根据特征根的分布情况，判定系统是否稳定。通过MATLAB提供的margin函数，求出系统的幅值裕度、相位裕度、幅值穿越频率和相位穿越频率，从而直接分析系统是否稳定以及系统的相对稳定性。
4.利用MATLAB设计系统校正。通过MATLAB进一步讨论系统校正的设计问题，所采用的设计方法仍然是基于Bode图的频率分析方法。教学过程中，设定某单位反馈控制系统可以通过调整增益满足稳态性能指标要求，但相位裕度过小，不满足相对稳定性要求，从而通过采用超前校正环节进行校正。
5.利用MATLAB分析线性离散系统。与可用于线性连续系统分析和设计的函数对应，MATLAB提供了用于线性离散系统分析和设计的函数。教学中，采用c2dm函数和d2cm函数实现系统模型变换。其中，采用c2dm函数将线性连续系统模型转换为线性离散系统模型，d2cm函数将线性离散系统模型转换为线性连续系统模型。另外，利用dstep函数、dimpulse函数和dlsim函数对线性离散系统的时间响应进行仿真计算[5]。
四、教学案例分析
利用MATLAB进行某型炮弹制导控制系统阻尼回路的仿真设计，是《机械电子学》课程教学中采用的经典案例之一。
对于轴对称弹体，俯仰通道和偏航通道结构相同，因此在制导控制系统设计时常以俯仰通道为例进行控制系统设计。控制系统的内回路是阻尼回路，阻尼回路主要由舵机环节、弹体环节和校正网络三部分组成。阻尼回路的结构框图如图2所示。
特征点选择与5.2.3节相同，特征点处的弹体传递函数为：
从弹体传递函数可以看出，在特征点T1处原弹体阻尼为0.1，属于严重欠阻尼，因此将特征点处阻尼回路的期望阻尼设置为0.8。
校正网络设计主要是对阻尼回路传递函数系数
弹体开环传递函数Bode图如图4、图5所示，由图可知在增加阻尼回路前，弹体已经是稳定的，在增加阻尼回路滞后，弹体保持较好的稳定性，弹体带宽变小，因此弹体振荡得到抑制。MATLAB仿真结果表明，阻尼回路明显改善了弹体动态特性。
五、结束语
通过上述研究可以得出，在《机械电子学》教学过程中采用MATLAB软件可以有效地完善课程教学内容，实现了理论教学与实践教学的有机结合，不仅对加强学生的理论学习有较大的帮助，而且也提高了学生对所学知识的运用能力和分析问题、解决实践中问题的能力。
参考文献：
[1]叶大鹏.计算机仿真技术在《机电一体化系统设计》教学中的应用[J].福建农林大学学报：自然科学版，2004，33（4）.
[2]江岳春，邓建国，罗德荣.MATLAB在异步电动机电源反接制动教学中的应用[J].电气电子教学学报，2002，24（4）.
[3]任金霞，黄运强.基于MATLAB的自动控制系统稳定性分析[J].江西有色金属，2002，16（3）.
[4]刘政华，何将三.机械电子学[M].长沙：国防科技大学出版社，1999.
[5]杨叔子，杨克冲.机械工程控制基础（第六版）[M].武汉：华中科技大学出版社，2012.