《機電傳動與控制》教學(xué)仿真試驗平臺的建設(shè)與應(yīng)用

1、?機電傳動與控制?教學(xué)仿真試驗平臺的建設(shè)與應(yīng)用劉海寧張金凱王娜趙洪華【摘要】針對機械類專業(yè)?機電傳動與控制?教學(xué)模式現(xiàn)狀，為了創(chuàng)新教學(xué)模式，提高教學(xué)質(zhì)量，提出基于Matlab/Simulink構(gòu)建系統(tǒng)完整的教學(xué)仿真試驗平臺，并將其在課堂教學(xué)、虛擬實驗教學(xué)、創(chuàng)新能力培養(yǎng)等多方面進行應(yīng)用，取得了較好的教學(xué)效果?！娟P(guān)鍵詞】?機電傳動與控制?課程；教學(xué)仿真平臺；本科教學(xué)中圖分類號：G642；TH132-4文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2095-2457202119-0150-002DOI：10.19694/j ki.issn2095-2457.2021.19.066?機電傳動與控制?是“機械工程及自動化專業(yè)

2、的主干技術(shù)根底課，涉及數(shù)學(xué)、物理學(xué)、電子學(xué)、控制理論等多方面知識，兼具較強的學(xué)科交叉性和工程實用性，在專業(yè)知識結(jié)構(gòu)上起著承下啟上的作用。在多年的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)以下突出矛盾：一是教學(xué)學(xué)時較少，而教學(xué)內(nèi)容較多；二是課程內(nèi)容理論性強，有理論推導(dǎo)、有定性分析、有定量計算，特別是涉及到多學(xué)科知識的綜合利用，對學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的寬度和深度要求都比較高；三是實驗建設(shè)的系統(tǒng)性欠佳。作為一門技術(shù)根底課，不針對具體應(yīng)用，但是又面向工程應(yīng)用，雖然設(shè)置了一定學(xué)時的電機實驗，但缺乏以形成對課程理論體系的全方面支撐。仿真實驗平臺能夠拉近學(xué)生與理論知識的距離，與課堂教學(xué)可以深度融合，同時具有投入本錢低、運用靈活的優(yōu)點，能夠?qū)ΜF(xiàn)

3、有?機電傳動與控制?課程教學(xué)形成全面支撐和必要補充。1?機電傳動與控制?教學(xué)模式現(xiàn)狀在?機電傳動與控制?的教學(xué)實施上，絕大多數(shù)高校采取了“理論教學(xué)+實驗實踐相結(jié)合的模式。王克義【1】等對其本省高等院校?機電傳動與控制?教學(xué)進行了廣泛調(diào)研，突出反映出了該課程教學(xué)模式單一、教學(xué)內(nèi)容脫離實際、教學(xué)手段落后、無視實驗教學(xué)等問題。這些問題在全國各高校包括本校的?機電傳動與控制?教學(xué)中具有很強的代表性。針對這些問題，各高校教學(xué)人員均探索了不同方式的教改實踐。許焰等【2】在課堂教學(xué)過程中綜合運用多種教學(xué)方式鼓勵學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計能力及創(chuàng)新意識，并以科研引導(dǎo)教學(xué)，提高教學(xué)效果。杜福銀【3】在?機電

4、傳動與控制?教學(xué)過程中著重實踐了問題式教學(xué)方式，取得了較好的教學(xué)效果。王克義等【1】將任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法引入課堂教學(xué)，同時注重對教學(xué)內(nèi)容的更新和教學(xué)手段的豐富，多方并舉，教學(xué)質(zhì)量明顯提高，學(xué)生的綜合能力得到改善，值得深入學(xué)習(xí)和借鑒。其中，教學(xué)資源平臺構(gòu)建和教學(xué)手段更新是進行深入教學(xué)改革和研究的鋪墊，因此各高校都十分重視對教學(xué)資源的投入和教學(xué)手段的構(gòu)建，例如：鄒麗君【4】基于softPLC設(shè)計了機電傳動控制虛擬實驗平臺；劉振【5】基于PLC設(shè)計了機電傳動控制教學(xué)實驗系統(tǒng)?；趯嶋H硬件系統(tǒng)的實驗教學(xué)中是不可替代的重要環(huán)節(jié)，但實驗平臺構(gòu)造復(fù)雜，實驗內(nèi)容也十分有限，且投入和使用本錢較高，而在此根底上廣泛開

5、展仿真實驗?zāi)軌蚴箤嶒灲虒W(xué)得到有效地補充。目前可采用的機電傳動及控制虛擬仿真工具也比較多，但各有優(yōu)劣，如鄒麗君【4】所采用的softPLC側(cè)重對電動機控制方式的模擬和仿真，但欠缺對電動機機械特性的仿真支持。Matlab以其靈活的編程語言、豐富的圖形繪制、強大的數(shù)據(jù)處理能力以及模塊化的動態(tài)系統(tǒng)仿真工具Simulink，成為仿真領(lǐng)域最受歡迎的軟件；同時Matlab對電動機建模、運行仿真、控制仿真的支持也較為全面，因此是較為理想的仿真工具，相關(guān)應(yīng)用也較多，例如：基于Matlab/Simulink平臺，朱春鴦【6】等進行了異步電動機機械特性的仿真；賈建強等【7】進行了交流電機調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真。實驗教

6、學(xué)實踐證明：將基于Simulink仿真實驗應(yīng)用到電機實驗教學(xué)中，可以生動、形象地將電機性能顯示出來，便于分析研究，具有較強的實踐指導(dǎo)意義，同時可以彌補傳統(tǒng)實驗方法的缺乏，對于一些不能或不便于用實際設(shè)備演示的實驗工程，借助仿真實驗分析，可減少實物實驗設(shè)備、耗材費用，使學(xué)生能夠更深入地理解和掌握理論知識，提高學(xué)習(xí)效果。但是，基于Matlab/Simulink的實驗平臺建設(shè)系統(tǒng)性和完整性有待進一步加強，同時與課堂教學(xué)需要進一步融合。2?機電傳動與控制?教學(xué)仿真平臺的建設(shè)?機電傳動與控制?的核心教學(xué)內(nèi)容包括機電傳動的動力學(xué)根底、直/交流電動機的工作原理與特性、常規(guī)控制電動機的構(gòu)造與工作原理、以晶閘管為

7、核心的電力電子學(xué)根底、直/交流電動機調(diào)速系統(tǒng)等。通過對上述教學(xué)內(nèi)容的進一步梳理和總結(jié)，按照教學(xué)內(nèi)容之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，對基于Matlab/Simulink教學(xué)仿真實驗平臺進行了系統(tǒng)化架構(gòu)，如圖1所示。交、直流電動機的數(shù)學(xué)模型是進行教學(xué)仿真實驗平臺的根底，通過構(gòu)建直/交流電動機數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)對直、交流電動機固有、人為機械特性的圖形化呈現(xiàn)，進而實現(xiàn)對電動機的啟動、調(diào)速、制動過程的動態(tài)分析；晶閘管及整流電路均是邏輯仿真分析，而交、直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真分析需要進一步結(jié)合對調(diào)速元器件的建模和仿真綜合實現(xiàn)；教學(xué)仿真平臺的人機接口設(shè)計目的是為了便于教學(xué)及實驗的開展，將控制參數(shù)、變量等在程序界面設(shè)計輸入接口，并通

8、過動態(tài)圖表的形式對仿真結(jié)果進行呈現(xiàn)，形成人機交互方便、原理與過程呈現(xiàn)直觀的教學(xué)仿真實驗平臺。3教學(xué)仿真平臺的應(yīng)用1作為一種教學(xué)輔助工具，與課堂理論教學(xué)進行深度融合教學(xué)仿真實驗平臺的建設(shè)將復(fù)原教學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性和完整性作為重要目標(biāo)，直接面向教材對應(yīng)的理論知識點。將教學(xué)仿真實驗平臺搬入課堂，可以與原理視頻、圖文展示、理論推導(dǎo)有機結(jié)合，重構(gòu)教學(xué)過程，打造“多位一體的教學(xué)模式，提高教學(xué)的趣味性。例如：在進行交/直流電動機的機械和人為機械特性的每個理論點講解時，可在教學(xué)仿真平臺進行參數(shù)調(diào)整以觀察特性曲線的變化情況。2作為教學(xué)實踐應(yīng)用平臺，開展任務(wù)式虛擬實驗教學(xué)實踐將教學(xué)仿真實驗平臺作為實物實驗的有效補充，

9、通過大作業(yè)的形式開展任務(wù)驅(qū)動式虛擬實驗教學(xué)。以晶閘管整流電路、直/交流調(diào)速電路為主要虛擬試驗內(nèi)容，擬定詳細(xì)的實驗內(nèi)容、操作步驟、任務(wù)要求，標(biāo)準(zhǔn)化實驗報告，形成切實可行的虛擬實驗方案。通過虛擬實驗，一方面與實物實驗對照，使學(xué)生理解建模仿真的目的與意義，另一方面擴展實驗內(nèi)容，使學(xué)生加深對理論教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握。3作為現(xiàn)代工具使用的范本，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力在課堂與虛擬試驗教學(xué)過程中，將教學(xué)仿真平臺本身作為其中一項教學(xué)內(nèi)容，簡要介紹Matlab/Simulink的使用及仿真實驗教學(xué)平臺的虛構(gòu)造原理，引導(dǎo)學(xué)生完成對實際工程問題的數(shù)學(xué)抽象、建模、仿真與分析。針對學(xué)有余力的同學(xué)，結(jié)合科創(chuàng)競賽、

10、SRT工程等創(chuàng)新能力培養(yǎng)活動，面向工程素質(zhì)培養(yǎng)進行科研根本能力的歷練。4結(jié)論基于Matlab/Simulink的?機電傳動與控制?教學(xué)仿真實驗平臺不受實驗教學(xué)條件限制，教師能夠有效應(yīng)用于課堂教學(xué)，學(xué)生能夠應(yīng)用該平臺直觀地進行自學(xué)和虛擬實驗，與實物試驗?zāi)軌蛐纬捎行φ蘸脱a充，從而為更加行之有效教學(xué)模式的形成提供有效支撐。從先期的教學(xué)試驗應(yīng)用來看，取得了較好的教學(xué)效果?！緟⒖嘉墨I】【1】王克義，黃玉瑄.機電傳動及控制教學(xué)改革的探索與實踐研究J.教學(xué)研究，2021，391：88-92.【2】許焰，龐佑霞，唐勇.面向工程實踐科研引導(dǎo)教學(xué)?機電傳動與控制?課堂教學(xué)探究J.當(dāng)代教育理論與實踐，2021，039：80-82.【3】杜福銀.問題式教學(xué)在機電傳動控制教學(xué)中的應(yīng)用J.高等教育研究：成都，20214：82-84.【4】鄒利軍.機電傳動控制課程虛擬實驗技術(shù)的研究D.武漢：華中科技大學(xué)，202