肖能齊，方子帆，陳保家，盧 金

(三峽大學(xué) 機械與動力學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

機械工程控制基礎(chǔ)課程作為機械專業(yè)非常重要的一門核心課，以控制論為理論基礎(chǔ)，研究機械工程中廣義系統(tǒng)的動力學(xué)問題。其課程目標(biāo)主要是使學(xué)生逐步學(xué)會運用“系統(tǒng)”、“動態(tài)”的觀點定性分析系統(tǒng)的工作原理及特點，通過構(gòu)建系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，運用控制原理和數(shù)理基礎(chǔ)課知識對系統(tǒng)信息的傳遞及反饋控制的動態(tài)特性進行定性分析，初步學(xué)會將控制理論、微處理機技術(shù)同機械制造技術(shù)結(jié)合，運用控制論的理論與方法，來考察、分析與解決機械工程中的實際問題[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，不斷強調(diào)通過課程教學(xué)體系、實驗教學(xué)體系和企業(yè)實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)高校在實驗教學(xué)和企業(yè)實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)實踐的需求；另一方面，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的增加，勢必會導(dǎo)致學(xué)校不斷增加教學(xué)實驗設(shè)備采購和設(shè)備維護資金的投入以及增加實驗設(shè)備安全性管理難度。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用順應(yīng)了國家高等教育信息化的發(fā)展趨勢和現(xiàn)實需求[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，但是對于實驗教學(xué)與企業(yè)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)卻較為被動，若將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于課程教學(xué)和實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，將很好地解決上述問題。

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

1 構(gòu)建虛擬仿真動態(tài)模型庫

機械工程控制基礎(chǔ)課程中系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、頻域與時域特性分析以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性判斷等涉及較強的數(shù)學(xué)理論知識、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，該課程具有較強的理論性，學(xué)生學(xué)習(xí)動力不足。同時，針對課程內(nèi)容而言，其所涉及的知識面廣，在有限的學(xué)時內(nèi)按照教材章節(jié)逐一講解的方式，系統(tǒng)性不強，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，建立虛擬仿真動態(tài)模型庫，從而實現(xiàn)以課程知識為主干和以虛擬仿真動態(tài)模型庫為枝葉的課程組成。

以數(shù)控直線運動工作臺位置控制系統(tǒng)為對象，該系統(tǒng)的工作原理示意圖如圖1所示。通過對數(shù)控直線運動工作臺的工作原理進行分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)在數(shù)控鏜床、激光加工機床和數(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)控直線運動工作臺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為電動機轉(zhuǎn)子軸部件的轉(zhuǎn)動慣量；J2為減速器輸出軸部件轉(zhuǎn)動慣量；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。利用該模型進行仿真分析，從而獲得該系統(tǒng)的時域響應(yīng)特性和頻域響應(yīng)特性等，為機械工程控制基礎(chǔ)中系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)的時間響應(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。

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

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

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態(tài)模型庫、課件制作、教學(xué)活動設(shè)計等。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)準(zhǔn)備主要是利用互聯(lián)網(wǎng)平臺資源，將課程視頻、虛擬仿真模型庫以及工程實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)不是采用對課本知識全部講解的方式進行教學(xué)活動，而是闡述某一實際生產(chǎn)生活的實例或項目實例方案，通過對實例進行拆解和借助虛擬仿真動態(tài)模型庫，使得課程重點難點知識以較為簡單和直觀的方式呈現(xiàn)在學(xué)生面前，從而讓學(xué)生可以運用理論知識解決實際問題并提高理論聯(lián)系實際的能力。

第三，根據(jù)虛擬仿真平臺，開展創(chuàng)新實驗。相對于傳統(tǒng)實驗平臺，虛擬測試網(wǎng)絡(luò)實驗平臺具有明顯優(yōu)勢，如投入運行成本小、受益面廣、影響范圍大等。依托MATLAB/Simulink仿真軟件平臺，學(xué)生以團隊形式完成自主綜合課程設(shè)計項目，在查閱文獻、設(shè)計方案、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)實踐動手能力、綜合創(chuàng)新能力及團隊協(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，將理論知識實踐化。使學(xué)生能夠更加直觀、清晰地理解和掌握課程知識，有利于提高教學(xué)質(zhì)量、增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

第二，提升了學(xué)生的創(chuàng)新與實踐能力。根據(jù)制定的虛擬仿真動態(tài)模型庫或自主設(shè)計課題，學(xué)生可以運用虛擬仿真手段參與到系統(tǒng)建模、分析、設(shè)計中，提高學(xué)生的創(chuàng)新及實踐能力。

第三，解決了傳統(tǒng)實驗不足的問題。虛擬仿真解決了實驗受硬件設(shè)備條件限制的問題，大大拓展了傳統(tǒng)實驗的范疇，解決了實驗資金和實驗設(shè)備不足的問題。