劉海寧　張金凱　王娜　趙洪華

【摘 要】針對(duì)機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)《機(jī)電傳動(dòng)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(yàn)平臺(tái)，并將其在課堂教學(xué)、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)、創(chuàng)新能力培養(yǎng)等多方面進(jìn)行應(yīng)用，取得了較好的教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】《機(jī)電傳動(dòng)與控制》課程；教學(xué)仿真平臺(tái)；本科教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)： G642；TH132-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）19-0150-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.066

《機(jī)電傳動(dòng)與控制》是“機(jī)械工程及自動(dòng)化”專(zhuān)業(yè)的主干技術(shù)基礎(chǔ)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(shí)，兼具較強(qiáng)的學(xué)科交叉性和工程實(shí)用性，在專(zhuān)業(yè)知識(shí)結(jié)構(gòu)上起著承下啟上的作用。在多年的教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)以下突出矛盾：一是教學(xué)學(xué)時(shí)較少，而教學(xué)內(nèi)容較多；二是課程內(nèi)容理論性強(qiáng)，有理論推導(dǎo)、有定性分析、有定量計(jì)算，特別是涉及到多學(xué)科知識(shí)的綜合利用，對(duì)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的寬度和深度要求都比較高；三是實(shí)驗(yàn)建設(shè)的系統(tǒng)性欠佳。作為一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)課，不針對(duì)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(shí)的電機(jī)實(shí)驗(yàn)，但不足以形成對(duì)課程理論體系的全方面支撐。仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠拉近學(xué)生與理論知識(shí)的距離，與課堂教學(xué)可以深度融合，同時(shí)具有投入成本低、運(yùn)用靈活的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)ΜF(xiàn)有《機(jī)電傳動(dòng)與控制》課程教學(xué)形成全面支撐和必要補(bǔ)充。

1 《機(jī)電傳動(dòng)與控制》教學(xué)模式現(xiàn)狀

在《機(jī)電傳動(dòng)與控制》的教學(xué)實(shí)施上，絕大多數(shù)高校采取了“理論教學(xué)+實(shí)驗(yàn)實(shí)踐”相結(jié)合的模式。王克義[1]等對(duì)其本省高等院?！稒C(jī)電傳動(dòng)與控制》教學(xué)進(jìn)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(shí)際、教學(xué)手段落后、忽視實(shí)驗(yàn)教學(xué)等問(wèn)題。這些問(wèn)題在全國(guó)各高校包括本校的《機(jī)電傳動(dòng)與控制》教學(xué)中具有很強(qiáng)的代表性。針對(duì)這些問(wèn)題，各高校教學(xué)人員均探索了不同方式的教改實(shí)踐。許焰等[2]在課堂教學(xué)過(guò)程中綜合運(yùn)用多種教學(xué)方式激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力及創(chuàng)新意識(shí)，并以科研引導(dǎo)教學(xué)，提高教學(xué)效果。杜福銀[3]在《機(jī)電傳動(dòng)與控制》教學(xué)過(guò)程中著重實(shí)踐了問(wèn)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(dòng)教學(xué)法引入課堂教學(xué)，同時(shí)注重對(duì)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(tái)構(gòu)建和教學(xué)手段更新是進(jìn)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(duì)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(jì)了機(jī)電傳動(dòng)控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；劉振[5]基于PLC設(shè)計(jì)了機(jī)電傳動(dòng)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?；趯?shí)際硬件系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是不可替代的重要環(huán)節(jié)，但實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)造復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也十分有限，且投入和使用成本較高，而在此基礎(chǔ)上廣泛開(kāi)展仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴箤?shí)驗(yàn)教學(xué)得到有效地補(bǔ)充。

目前可采用的機(jī)電傳動(dòng)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(duì)電動(dòng)機(jī)控制方式的模擬和仿真，但欠缺對(duì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的仿真支持。Matlab以其靈活的編程語(yǔ)言、豐富的圖形繪制、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力以及模塊化的動(dòng)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(shí)Matlab對(duì)電動(dòng)機(jī)建模、運(yùn)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(tái)，朱春鴦[6]等進(jìn)行了異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的仿真；賈建強(qiáng)等[7]進(jìn)行了交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真。實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐證明：將基于Simulink仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)用到電機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以生動(dòng)、形象地將電機(jī)性能顯示出來(lái)，便于分析研究，具有較強(qiáng)的實(shí)踐指導(dǎo)意義，同時(shí)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的不足，對(duì)于一些不能或不便于用實(shí)際設(shè)備演示的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，借助仿真實(shí)驗(yàn)分析，可減少實(shí)物實(shí)驗(yàn)設(shè)備、耗材費(fèi)用，使學(xué)生能夠更深入地理解和掌握理論知識(shí)，提高學(xué)習(xí)效果。但是，基于Matlab/Simulink的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)系統(tǒng)性和完整性有待進(jìn)一步加強(qiáng)，同時(shí)與課堂教學(xué)需要進(jìn)一步融合。

2 《機(jī)電傳動(dòng)與控制》教學(xué)仿真平臺(tái)的建設(shè)

《機(jī)電傳動(dòng)與控制》的核心教學(xué)內(nèi)容包括機(jī)電傳動(dòng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)、直/交流電動(dòng)機(jī)的工作原理與特性、常規(guī)控制電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造與工作原理、以晶閘管為核心的電力電子學(xué)基礎(chǔ)、直/交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)等。通過(guò)對(duì)上述教學(xué)內(nèi)容的進(jìn)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(duì)基于Matlab/Simulink教學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了系統(tǒng)化架構(gòu)，如圖1所示。交、直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行教學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)，通過(guò)構(gòu)建直/交流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)直、交流電動(dòng)機(jī)固有、人為機(jī)械特性的圖形化呈現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)過(guò)程的動(dòng)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(jìn)一步結(jié)合對(duì)調(diào)速元器件的建模和仿真綜合實(shí)現(xiàn)；教學(xué)仿真平臺(tái)的人機(jī)接口設(shè)計(jì)目的是為了便于教學(xué)及實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，將控制參數(shù)、變量等在程序界面設(shè)計(jì)輸入接口，并通過(guò)動(dòng)態(tài)圖表的形式對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行呈現(xiàn)，形成人機(jī)交互方便、原理與過(guò)程呈現(xiàn)直觀的教學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3 教學(xué)仿真平臺(tái)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(jìn)行深度融合

教學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)將還原教學(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(duì)應(yīng)的理論知識(shí)點(diǎn)。將教學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搬入課堂，可以與原理視頻、圖文展示、理論推導(dǎo)有機(jī)結(jié)合，重構(gòu)教學(xué)過(guò)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(jìn)行交/直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械和人為機(jī)械特性的每個(gè)理論點(diǎn)講解時(shí)，可在教學(xué)仿真平臺(tái)進(jìn)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(shí)踐應(yīng)用平臺(tái)，開(kāi)展任務(wù)式虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

將教學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為實(shí)物實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充，通過(guò)大作業(yè)的形式開(kāi)展任務(wù)驅(qū)動(dòng)式虛擬實(shí)驗(yàn)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(yàn)內(nèi)容，擬定詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、操作步驟、任務(wù)要求，規(guī)范化實(shí)驗(yàn)報(bào)告，形成切實(shí)可行的虛擬實(shí)驗(yàn)方案。通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)，一方面與實(shí)物實(shí)驗(yàn)對(duì)照，使學(xué)生理解建模仿真的目的與意義，另一方面擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使學(xué)生加深對(duì)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(wèn)題的能力

在課堂與虛擬試驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，將教學(xué)仿真平臺(tái)本身作為其中一項(xiàng)教學(xué)內(nèi)容，簡(jiǎn)要介紹Matlab/Simulink的使用及仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的虛構(gòu)造原理，引導(dǎo)學(xué)生完成對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題的數(shù)學(xué)抽象、建模、仿真與分析。針對(duì)學(xué)有余力的同學(xué)，結(jié)合科創(chuàng)競(jìng)賽、SRT項(xiàng)目等創(chuàng)新能力培養(yǎng)活動(dòng)，面向工程素質(zhì)培養(yǎng)進(jìn)行科研基本能力的歷練。

4 結(jié)論

基于Matlab/Simulink的《機(jī)電傳動(dòng)與控制》教學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不受實(shí)驗(yàn)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(tái)直觀地進(jìn)行自學(xué)和虛擬實(shí)驗(yàn)，與實(shí)物試驗(yàn)?zāi)軌蛐纬捎行?duì)照和補(bǔ)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(yàn)應(yīng)用來(lái)看，取得了較好的教學(xué)效果。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王克義，黃玉瑄.機(jī)電傳動(dòng)及控制教學(xué)改革的探索與實(shí)踐研究[J].教學(xué)研究，2016，39（1）：88-92.

[2]許焰，龐佑霞，唐勇.面向工程實(shí)踐 科研引導(dǎo)教學(xué)——《機(jī)電傳動(dòng)與控制》課堂教學(xué)探究[J].當(dāng)代教育理論與實(shí)踐， 2011，03（9）：80-82.

[3]杜福銀.問(wèn)題式教學(xué)在機(jī)電傳動(dòng)控制教學(xué)中的應(yīng)用[J].高等教育研究：成都，2011（4）：82-84.

[4]鄒利軍.機(jī)電傳動(dòng)控制課程虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2009.

[5]劉振.機(jī)電傳動(dòng)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[6]朱春鴦，周政新.三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速機(jī)械特性仿真分析[J].上海第二工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2012（4）：288-295.

[7]賈建強(qiáng)，韓如成，左龍.基于MATLAB/SIMULINK的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2000，4（2）：91-93.