虛擬仿真教學(xué)在機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程中的應(yīng)用研究

肖能齊，方子帆，陳保家，盧 金

(三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程作為機(jī)械專業(yè)非常重要的一門核心課，以控制論為理論基礎(chǔ)，研究機(jī)械工程中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題。其課程目標(biāo)主要是使學(xué)生逐步學(xué)會(huì)運(yùn)用“系統(tǒng)”、“動(dòng)態(tài)”的觀點(diǎn)定性分析系統(tǒng)的工作原理及特點(diǎn)，通過構(gòu)建系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用控制原理和數(shù)理基礎(chǔ)課知識(shí)對(duì)系統(tǒng)信息的傳遞及反饋控制的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行定性分析，初步學(xué)會(huì)將控制理論、微處理機(jī)技術(shù)同機(jī)械制造技術(shù)結(jié)合，運(yùn)用控制論的理論與方法，來(lái)考察、分析與解決機(jī)械工程中的實(shí)際問題[1-2]。

目前工程教育中新工科建設(shè)和工程教育專業(yè)認(rèn)證工作，不斷強(qiáng)調(diào)通過課程教學(xué)體系、實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系和企業(yè)實(shí)踐等多樣化方式提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題和科技創(chuàng)新的能力[3-4]。但是目前大多數(shù)高校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)和企業(yè)實(shí)踐等方面存在較多困難，一方面，較多企業(yè)基于安全生產(chǎn)管理要求，正在減少或不愿意接納高校學(xué)生參加企業(yè)實(shí)踐的需求；另一方面，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的增加，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致學(xué)校不斷增加教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備采購(gòu)和設(shè)備維護(hù)資金的投入以及增加實(shí)驗(yàn)設(shè)備安全性管理難度。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用順應(yīng)了國(guó)家高等教育信息化的發(fā)展趨勢(shì)和現(xiàn)實(shí)需求[5-6]。例如，2020年新冠病毒疫情的暴發(fā)導(dǎo)致高校學(xué)生無(wú)法正常開學(xué)，2020春季學(xué)期的教學(xué)任務(wù)往往采取線上教學(xué)手段完成，但是對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)與企業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)卻較為被動(dòng)，若將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于課程教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，將很好地解決上述問題。

以機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程為研究對(duì)象，依托課程大綱體系和培養(yǎng)目標(biāo)，利用Simulink軟件構(gòu)建虛擬仿真動(dòng)態(tài)模型庫(kù)和虛擬仿真平臺(tái)，同時(shí)制定虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)施方案。通過虛擬仿真技術(shù)在課程教學(xué)中的應(yīng)用，讓學(xué)生可以運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和工程應(yīng)用能力。

1 構(gòu)建虛擬仿真動(dòng)態(tài)模型庫(kù)

機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程中系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、頻域與時(shí)域特性分析以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷等涉及較強(qiáng)的數(shù)學(xué)理論知識(shí)、復(fù)雜的公式推導(dǎo)過程和復(fù)雜的圖表曲線特性分析，與其他專業(yè)課程相比，該課程具有較強(qiáng)的理論性，學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力不足。同時(shí)，針對(duì)課程內(nèi)容而言，其所涉及的知識(shí)面廣，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)按照教材章節(jié)逐一講解的方式，系統(tǒng)性不強(qiáng)，往往難以讓學(xué)生們理解和掌握，教學(xué)效果較差。為了解決上述問題，采用課程知識(shí)結(jié)構(gòu)與MATLAB/Simulink仿真軟件相結(jié)合的方式，建立虛擬仿真動(dòng)態(tài)模型庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)以課程知識(shí)為主干和以虛擬仿真動(dòng)態(tài)模型庫(kù)為枝葉的課程組成。

以數(shù)控直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)為對(duì)象，該系統(tǒng)的工作原理示意圖如圖1所示。通過對(duì)數(shù)控直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的工作原理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)在數(shù)控鏜床、激光加工機(jī)床和數(shù)控鉆床等方面有廣泛的應(yīng)用，該系統(tǒng)全閉環(huán)的控制系統(tǒng)精度高。

圖1 數(shù)控直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)位置控制的工作原理示意圖

根據(jù)上述該系統(tǒng)的工作原理和能量守恒定理，可以構(gòu)建如下微分方程組：

其中，J1為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J2為減速器輸出軸部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；i為減速比；P為螺距。

根據(jù)構(gòu)建的系統(tǒng)模型和微分方程組，利用Simulink仿真軟件，可以構(gòu)建如圖2所示的位置控制系統(tǒng)的仿真模型。利用該模型進(jìn)行仿真分析，從而獲得該系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)特性和頻域響應(yīng)特性等，為機(jī)械工程控制基礎(chǔ)中系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)分析和頻域響應(yīng)分析提供了更為直觀的演示，使學(xué)生更加容易理解相關(guān)授課知識(shí)。

圖2 位置控制系統(tǒng)的仿真模型

2 虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

為了推動(dòng)教育與信息技術(shù)的融合，依托虛實(shí)并重、課內(nèi)外結(jié)合的原則，實(shí)現(xiàn)多元化教學(xué)。本課程教學(xué)方案的實(shí)施包括以下幾個(gè)步驟：

第一，教學(xué)準(zhǔn)備，為后續(xù)的教學(xué)提供支持。課堂教學(xué)主要包括虛擬仿真動(dòng)態(tài)模型庫(kù)、課件制作、教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)等。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)準(zhǔn)備主要是利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)資源，將課程視頻、虛擬仿真模型庫(kù)以及工程實(shí)際案例分析等提供給學(xué)生用于自學(xué)、討論交流與答疑。

第二，基于虛擬仿真技術(shù)的課堂教學(xué)。與傳統(tǒng)的灌輸式課堂教學(xué)不同，課堂教學(xué)不是采用對(duì)課本知識(shí)全部講解的方式進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)，而是闡述某一實(shí)際生產(chǎn)生活的實(shí)例或項(xiàng)目實(shí)例方案，通過對(duì)實(shí)例進(jìn)行拆解和借助虛擬仿真動(dòng)態(tài)模型庫(kù)，使得課程重點(diǎn)難點(diǎn)知識(shí)以較為簡(jiǎn)單和直觀的方式呈現(xiàn)在學(xué)生面前，從而讓學(xué)生可以運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題并提高理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

第三，根據(jù)虛擬仿真平臺(tái)，開展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，虛擬測(cè)試網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有明顯優(yōu)勢(shì)，如投入運(yùn)行成本小、受益面廣、影響范圍大等。依托MATLAB/Simulink仿真軟件平臺(tái)，學(xué)生以團(tuán)隊(duì)形式完成自主綜合課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，在查閱文獻(xiàn)、設(shè)計(jì)方案、系統(tǒng)搭建、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及答辯陳述的過程中培養(yǎng)實(shí)踐動(dòng)手能力、綜合創(chuàng)新能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

3 結(jié)論

第一，提高了學(xué)生課堂學(xué)習(xí)興趣。借助虛擬仿真教學(xué)將課程中的抽象問題具體化，將理論知識(shí)實(shí)踐化。使學(xué)生能夠更加直觀、清晰地理解和掌握課程知識(shí)，有利于提高教學(xué)質(zhì)量、增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

第二，提升了學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力。根據(jù)制定的虛擬仿真動(dòng)態(tài)模型庫(kù)或自主設(shè)計(jì)課題，學(xué)生可以運(yùn)用虛擬仿真手段參與到系統(tǒng)建模、分析、設(shè)計(jì)中，提高學(xué)生的創(chuàng)新及實(shí)踐能力。

第三，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不足的問題。虛擬仿真解決了實(shí)驗(yàn)受硬件設(shè)備條件限制的問題，大大拓展了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的范疇，解決了實(shí)驗(yàn)資金和實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足的問題。