楊秀萍， 胡文華， 徐曉秋

(1.天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 機(jī)電工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 天津 300384；2.天津理工大學(xué) 天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300384)

引言

液壓技術(shù)本身具有獨(dú)特的優(yōu)勢，在工程領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛?，F(xiàn)代工業(yè)對液壓機(jī)械的性能以及自動化程度的要求不斷提高，液壓技術(shù)與電子、控制以及計(jì)算機(jī)技術(shù)密切融合，企業(yè)對機(jī)電液一體化技術(shù)人才需求提升，對高校人才培養(yǎng)也提出了更高的要求[1-3]。

液壓技術(shù)實(shí)踐性很強(qiáng)，要求學(xué)生在掌握基本理論的基礎(chǔ)上，具有實(shí)踐動手能力。因此，實(shí)踐環(huán)節(jié)在學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識能力、工程能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)中具有重要地位。由于傳統(tǒng)液壓實(shí)驗(yàn)設(shè)備能完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為固定，綜合實(shí)驗(yàn)較少，學(xué)生動手機(jī)會少，不利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力[4-5]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，仿真技術(shù)在液壓課程教學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用[6-8]。開發(fā)仿真實(shí)驗(yàn)，不受元件、實(shí)驗(yàn)裝置和儀器、實(shí)驗(yàn)場地等限制，在搭建、調(diào)試液壓系統(tǒng)回路和連接控制線路時(shí)，出現(xiàn)故障也不會有安全問題。同時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式彌補(bǔ)了某些實(shí)物實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件不足或難以實(shí)施的困難，拓展了現(xiàn)有的教學(xué)內(nèi)容和手段，有效促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)和提高。

流體傳動與控制是天津理工大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)的一個(gè)專業(yè)方向，其專業(yè)課程設(shè)置包括《液壓傳動》、《液壓傳動系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)》、《電液控制工程》[9]、《專業(yè)設(shè)計(jì)》等。根據(jù)工程教育認(rèn)證畢業(yè)要求，通過學(xué)習(xí)這些課程，目的在于培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。近年來，在教學(xué)中，利用液壓仿真軟件AMESim，Automation Studio(AS)等，開發(fā)了液壓元件、基本回路和系統(tǒng)、液壓比例控制系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)等仿真實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

1 AMESim仿真實(shí)驗(yàn)

AMESim是工程系統(tǒng)高級建模和仿真軟件。在仿真過程中，通過圖形界面為用戶提供了時(shí)域和頻域仿真建模環(huán)境。搭建系統(tǒng)或元件時(shí)，將所需的元件從相應(yīng)的元件庫中拖到草圖區(qū)，對元件職能符號進(jìn)行布置，2個(gè)選定的油口或接口之間可以自動繪制油路或連線。利用子模型功能可以給每個(gè)元件建立數(shù)學(xué)模型，定義工作參數(shù)，然后進(jìn)行仿真計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)或元件性能的模擬和測試[10]。

在《液壓傳動》教學(xué)過程中，應(yīng)用AMESim仿真平臺，開發(fā)各類液壓閥、液壓基本回路的性能實(shí)驗(yàn)。通過創(chuàng)建模型、參數(shù)設(shè)置、運(yùn)行仿真，進(jìn)行結(jié)果分析。改變元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、回路特性參數(shù)等，可以觀察得到參數(shù)對性能的影響。圖1所示為溢流閥性能仿真實(shí)驗(yàn)，圖1a為仿真模型，設(shè)置相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)后，仿真得到壓力p隨時(shí)間t變化的曲線；同時(shí)，改變阻尼孔直徑d的大小(或黏性阻力)，可以看出阻尼孔對溢流閥動態(tài)性能的影響，如圖1b所示，阻尼孔增大時(shí)，阻尼作用減小，壓力上升時(shí)間縮短，但超調(diào)增加，調(diào)整時(shí)間增長。圖2為進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路仿真實(shí)驗(yàn)，圖2a為仿真模型，圖2b為不同節(jié)流口開口系數(shù)時(shí)的速度-負(fù)載特性曲線。為使學(xué)生掌握回路的速度-負(fù)載特性，仿真時(shí)改變負(fù)載F的大小，調(diào)節(jié)節(jié)流口開口系數(shù)W，觀察速度v變化規(guī)律。

圖1 直動式溢流閥性能仿真實(shí)驗(yàn)

圖2 進(jìn)油節(jié)流調(diào)速回路仿真實(shí)驗(yàn)

《液壓傳動系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)》與《電液控制工程》的教學(xué)內(nèi)容更復(fù)雜、抽象，同時(shí)涉及電液控制技術(shù)， 學(xué)生理解和掌握更加困難。仿真實(shí)驗(yàn)主要用于分析系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能，如位置伺服控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)[11]，圖3a為仿真模型，給定液壓泵、液壓缸和伺服閥等相關(guān)參數(shù)，設(shè)置負(fù)載和增益值，可以得到活塞的位移、速度隨時(shí)間的變化曲線、動態(tài)誤差及系統(tǒng)伯德圖，從而可以分析系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性。增益K值增加時(shí)，響應(yīng)速度加快，動態(tài)誤差減小，但會出現(xiàn)振蕩，穩(wěn)態(tài)誤差增加；減小伺服閥固有頻率f時(shí)，響應(yīng)速度變小，動態(tài)跟蹤誤差e增大，活塞運(yùn)動速度波動較大，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，如圖3b所示。改變伺服閥的阻尼比等參數(shù)，可以進(jìn)一步分析參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。

圖3 位置伺服控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)，用直觀、定量的數(shù)值和可視化的方式來描述系統(tǒng)的工作過程，有利于幫助學(xué)生理解元件和系統(tǒng)的工作原理，獲取回路中不同位置的壓力、流量信息以及元件的工作狀態(tài)，分析系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能等，還可以掌握結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性的影響，便于驗(yàn)證系統(tǒng)性能，合理進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真實(shí)驗(yàn)還可以與已有的實(shí)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相互驗(yàn)證。

2 AS仿真實(shí)驗(yàn)

AS仿真軟件具有設(shè)計(jì)和動態(tài)仿真功能，可以對液壓系統(tǒng)、電氣控制電路及可編程控制器程序進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)、調(diào)試、分析、測試等。通過仿真模擬，可以完成復(fù)雜液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，并對方案進(jìn)行修改和完善[12]。

在《專業(yè)設(shè)計(jì)》實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)中，采用CDIO項(xiàng)目式教學(xué)方法[13-14]，每3個(gè)學(xué)生為1個(gè)組，每組選擇不同的項(xiàng)目，設(shè)計(jì)過程包括：明確要求與方案論證，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)，總結(jié)與答辯。與CDIO項(xiàng)目教學(xué)的“構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)施-運(yùn)作”相對應(yīng)，其目標(biāo)就是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用液壓課程知識、解決復(fù)雜液壓工程問題的能力。

學(xué)生完成方案論證及系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，在“實(shí)施”階段，首先利用AS仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)的機(jī)電液聯(lián)合仿真。建立系統(tǒng)仿真模型，對所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行可行性分析，調(diào)試元件壓力、流量等參數(shù)，設(shè)計(jì)PLC硬件控制線路圖和梯形圖，并運(yùn)行調(diào)試。得到系統(tǒng)在不同工作階段的油液流動動畫圖，執(zhí)行元件壓力、流量變化曲線等。通過仿真系統(tǒng)調(diào)試，可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能，驗(yàn)證回路的正確性，排除故障。

然后，學(xué)生根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)，利用工業(yè)級可拆卸綜合實(shí)驗(yàn)臺，搭建自己所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)裝置(或部分裝置)，注意元件進(jìn)、出口，檢查回路連接是否正確，根據(jù)控制線路仿真模型，完成PLC線路連接。通過現(xiàn)場操作，實(shí)現(xiàn)控制功能，對所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相互結(jié)合，可以優(yōu)勢互補(bǔ)，既培養(yǎng)學(xué)生使用現(xiàn)代工具實(shí)施設(shè)計(jì)方案的能力，又培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力和調(diào)試能力。

以剪叉式液壓升降臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例[15]，如圖4所示。圖4a為系統(tǒng)仿真圖，包括機(jī)械裝置圖、液壓原理圖、PLC接線圖和梯形圖；圖4b為搭建的部分實(shí)物實(shí)驗(yàn)裝置圖。

圖4 剪叉式升降臺液壓系統(tǒng)

3 仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施

課程團(tuán)隊(duì)教師將仿真軟件的使用和仿真實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、要求編寫成仿真實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)課件，把每個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)的操作過程錄制了微課視頻，作為各門課程線上教學(xué)資源發(fā)布到智慧樹教育平臺，學(xué)生可以靈活安排時(shí)間在線學(xué)習(xí)，重復(fù)觀看視頻，還可以與教師線上互動、交流，完成仿真實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告，仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告與實(shí)物實(shí)驗(yàn)報(bào)告共同作為實(shí)驗(yàn)成績考核依據(jù)。

根據(jù)軟件使用授權(quán)要求，AS軟件的學(xué)習(xí)采用集中授課和網(wǎng)絡(luò)視頻講解相結(jié)合的線上線下混合方式，要求學(xué)生在專業(yè)設(shè)計(jì)教室完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)任務(wù)，以現(xiàn)場演示、設(shè)計(jì)說明書和答辯的形式進(jìn)行成績考核。

經(jīng)過多年的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生能夠熟練運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析，并應(yīng)用于畢業(yè)設(shè)計(jì)中，提高了設(shè)計(jì)能力、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力和實(shí)踐能力。部分仿真實(shí)例已編入出版的《液壓元件與系統(tǒng)設(shè)計(jì)》教材中。

4 結(jié)論

液壓虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是液壓理論知識、工程應(yīng)用和計(jì)算機(jī)知識的高度綜合。教學(xué)實(shí)踐表明，仿真實(shí)驗(yàn)拓展了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的深度和廣度，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和教學(xué)形式，與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，可以優(yōu)勢互補(bǔ)，相互驗(yàn)證。形象化、可視化的仿真實(shí)驗(yàn)效果和分析功能，有利于學(xué)生理解抽象的專業(yè)知識，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)調(diào)試等綜合能力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。同時(shí)，仿真實(shí)驗(yàn)要求每位學(xué)生獨(dú)立完成，可以避免實(shí)物實(shí)驗(yàn)過程中，部分學(xué)生不動手旁觀的現(xiàn)象，充分調(diào)動了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性和主動性。