付劍 馬浩林 趙江澳 李毓晨 付永領(lǐng)

摘? 要：機(jī)電仿真技術(shù)在縮短研發(fā)周期、減少重復(fù)勞動方面有著巨大優(yōu)勢，近年來已成為復(fù)雜系統(tǒng)研發(fā)中的重要一環(huán)。針對目前傳統(tǒng)機(jī)電類課程設(shè)計(jì)中重理論、輕實(shí)踐的問題，該文提出一種以實(shí)踐為核心，理論與實(shí)踐相融合的教學(xué)方式，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)綜合素質(zhì)和解決工程實(shí)際問題的能力，順應(yīng)國家在該領(lǐng)域未來發(fā)展的人才需求。該文從理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行闡述，并以實(shí)際系統(tǒng)為例，著重介紹多平臺聯(lián)合仿真實(shí)踐的教學(xué)案例。上述教學(xué)方式，能夠充分鍛煉研究生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)綜合素質(zhì)和解決工程實(shí)際問題的能力，并為后續(xù)機(jī)電類課程的教學(xué)設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：機(jī)電系統(tǒng)；實(shí)踐式教學(xué)；功率鍵合圖；多學(xué)科；聯(lián)合仿真

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）30-0032-06

Abstract： Electromechanical simulation technology has great advantages in shortening R&D cycle and reducing duplication of labor， which has become an important method in complex system development. Focusing on the problem of over-emphasizing theory and neglecting practice in traditional course design， a teaching method which takes practice as the core and integrates theory with practice is proposed. The aim is to cultivate students' comprehensive quality of innovative design and the ability to solve practical engineering problems， so as to meet the national demand for talents in the future development of this field. Two aspects of theoretical and practical teaching design are elaborated respectively. Taking the actual system as an example， the teaching case of multi-platform co-simulation practice is emphatically introduced. The above teaching methods can fully enhance comprehensive quality of innovative design and ability on solving practical engineering problems， which provides experience for teaching design of subsequent electromechanical courses.

Keywords： electromechanical system; practical teaching method; bond graph; multidisciplinary; co-simulation

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)與系統(tǒng)工程的發(fā)展，涉及多學(xué)科交叉的機(jī)電專業(yè)技術(shù)已在航空航天、機(jī)械、能源化工、車輛船舶、電子及生物等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在航空航天領(lǐng)域，機(jī)電類產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值已占到總產(chǎn)值的20%～30%[1]。機(jī)電仿真技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的綜合建模仿真、參數(shù)推演與分析評估，已成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)中至關(guān)重要的一環(huán)。目前，歐美等國已將系統(tǒng)綜合仿真納入飛機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)流程[2]，波音、空客公司均對在飛機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)過程中要求對飛機(jī)綜合機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，以縮短研發(fā)周期、減少重復(fù)勞動與物理實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。國內(nèi)很多研發(fā)單位雖然已初步建立了仿真研發(fā)設(shè)計(jì)平臺，將系統(tǒng)仿真納入工程研發(fā)流程，但對飛機(jī)級的復(fù)雜大系統(tǒng)的綜合仿真驗(yàn)證能力還與國外有較大差距，迫切需要機(jī)電領(lǐng)域的專業(yè)仿真技術(shù)人才。因此，為了彌補(bǔ)在該領(lǐng)域的人才缺口，在高校積極開設(shè)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真課程，培養(yǎng)航空航天背景下機(jī)電領(lǐng)域仿真技術(shù)人才，對提高我國系統(tǒng)級仿真驗(yàn)證能力，縮小與歐美等國家在相關(guān)領(lǐng)域的差距至關(guān)重要。

傳統(tǒng)機(jī)電一體化類的設(shè)計(jì)課程大多以理論為重心，忽略了實(shí)際工程設(shè)計(jì)研發(fā)流程中樣機(jī)產(chǎn)品研制前的仿真驗(yàn)證環(huán)節(jié)[3-4]。導(dǎo)致在課程設(shè)計(jì)方面缺乏仿真實(shí)踐的鍛煉，難以培養(yǎng)學(xué)生對機(jī)電系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)能力[5]。因此，本文針對目前傳統(tǒng)機(jī)械大類的機(jī)電專業(yè)核心課程設(shè)計(jì)中重理論、輕實(shí)踐的問題，依托北京航空航天大學(xué)面向研究生開設(shè)的機(jī)械工程專業(yè)的理論核心課程機(jī)電系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)及仿真實(shí)踐的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和精品課程的建設(shè)構(gòu)思，提出一種以理論為基礎(chǔ)，虛擬仿真實(shí)踐為主導(dǎo)，理論與實(shí)踐相融合，線上與線下相結(jié)合的教學(xué)方式。旨在培養(yǎng)機(jī)電專業(yè)的高年級本科生、碩士和博士研究生在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的實(shí)踐能力，順應(yīng)國家在多學(xué)科交叉創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面的需求。

一? 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真課程介紹

北京航空航天大學(xué)機(jī)電系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)及仿真實(shí)踐課程，作為一門面向工科研究生開設(shè)的專業(yè)理論核心課，是機(jī)械工程、電子工程、控制工程、電氣工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)及信息技術(shù)協(xié)同組合為一體，多學(xué)科高度融合的新興交叉學(xué)科課程。教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生在掌握扎實(shí)的理論知識的基礎(chǔ)上，掌握機(jī)電系統(tǒng)相關(guān)的建模仿真工具，培養(yǎng)學(xué)生面對實(shí)際工程技術(shù)問題時獨(dú)立自主的實(shí)踐能力，為研究生畢業(yè)后從事機(jī)電相關(guān)專業(yè)工作打下基礎(chǔ)。由于機(jī)電領(lǐng)域的學(xué)科交叉特性，該課程需要涉及多門學(xué)生本科階段已經(jīng)學(xué)習(xí)過的課程知識，包括：自動控制理論、測試技術(shù)、流體傳動有機(jī)電傳動控制等，是一門運(yùn)用多門學(xué)科知識，綜合性較強(qiáng)的課程。

課程內(nèi)容如圖1所示，分為三部分：緒論、機(jī)電系統(tǒng)建模仿真理論與機(jī)電系統(tǒng)建模仿真實(shí)踐。緒論部分主要闡述機(jī)電系統(tǒng)概念，講授機(jī)電系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分、設(shè)計(jì)流程及應(yīng)用，為學(xué)生形成機(jī)電系統(tǒng)的綜合理念。機(jī)電系統(tǒng)建模仿真理論部分主要講授鍵合圖（Bond Graph）理論，重點(diǎn)介紹機(jī)電系統(tǒng)多學(xué)科領(lǐng)域交叉的鍵合圖中信號、能量之間傳遞、轉(zhuǎn)化的關(guān)系，介紹系統(tǒng)建模理論方法，培養(yǎng)學(xué)生從客觀對象中提取數(shù)學(xué)模型的能力。同時，介紹多學(xué)科系統(tǒng)仿真平臺與工具，通過由淺入深的實(shí)例鍛煉學(xué)生仿真平臺、工具的運(yùn)用能力[6]。機(jī)電系統(tǒng)建模仿真綜合實(shí)踐部分則以實(shí)際工程中的典型案例為牽引，以實(shí)踐為核心，充分鍛煉研究生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)綜合素質(zhì)和解決工程實(shí)際問題的能力。教學(xué)以培養(yǎng)航空航天及大型裝備系統(tǒng)人才為目標(biāo)，以保證學(xué)科與專業(yè)互生、互融、互進(jìn)為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)學(xué)生多學(xué)科知識的傳授、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和跨專業(yè)綜合素質(zhì)的塑造。

二? 以實(shí)踐為主導(dǎo)的教學(xué)模式

傳統(tǒng)機(jī)電類課程在實(shí)踐教學(xué)方面存在不足，多數(shù)課程內(nèi)容理論性強(qiáng)，未針對性地對實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)致理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)，學(xué)生僅作為被動接受的一方，缺乏獨(dú)立思考和動手實(shí)踐的機(jī)會，課程知識停留在紙上談兵，難以與實(shí)際工程問題進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，教學(xué)效果不佳。因此，針對傳統(tǒng)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)課程中偏重理論概念、缺乏實(shí)踐鍛煉的問題，提出一種基于機(jī)電仿真建模課程的實(shí)踐式教學(xué)方法，將理論知識與實(shí)踐運(yùn)用相融合，在扎實(shí)的理論基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力，其內(nèi)容與教學(xué)方式如圖2所示。

圖2? 以實(shí)踐為主導(dǎo)的課程教學(xué)設(shè)計(jì)

于理論基礎(chǔ)部分，在講授理論知識的同時，以運(yùn)用仿真工具和平臺為驅(qū)動，對學(xué)生學(xué)習(xí)的理論知識進(jìn)行應(yīng)用和檢驗(yàn)，這既能使得學(xué)生對基礎(chǔ)理論與系統(tǒng)建模方法有更直觀的理解，同時通過仿真平臺與工具的使用，建立簡單的建模練習(xí)，能夠反過來進(jìn)一步檢驗(yàn)先前學(xué)習(xí)的理論知識，形成良性循環(huán)。而通過對仿真軟件工具的熟練運(yùn)用，也為后續(xù)的仿真實(shí)踐打下基礎(chǔ)。于仿真實(shí)踐部分，選取多種實(shí)際工程中的典型機(jī)電系統(tǒng)[7-8]，如車輛懸掛系統(tǒng)、船用電液復(fù)合提升系統(tǒng)、飛機(jī)液壓馬達(dá)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等。采用多工具、多軟件平臺聯(lián)合仿真的教學(xué)實(shí)踐方式，鍛煉學(xué)生機(jī)電系統(tǒng)綜合建模仿真能力，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識、鍛煉實(shí)踐能力、培養(yǎng)工程素質(zhì)和激發(fā)創(chuàng)新思維。接下來將從機(jī)電系統(tǒng)建模理論教學(xué)設(shè)計(jì)與機(jī)電系統(tǒng)建模實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)兩方面展開敘述課程實(shí)踐式的教學(xué)方式。

（一）? 機(jī)電系統(tǒng)建模理論教學(xué)設(shè)計(jì)

1? 鍵合圖理論教學(xué)

鍵合圖理論是由美國麻省理工學(xué)院的H.M.Paynter教授在1959年提出的，是一種建立在功率流概念的基礎(chǔ)上，描述系統(tǒng)功率的傳輸、轉(zhuǎn)化、貯存及耗散的圖形化理論方法。借助九個基本多通口元素來準(zhǔn)確、清晰地表達(dá)出系統(tǒng)模型中要考慮的物理效應(yīng)，能將真實(shí)的物理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)性參數(shù)化數(shù)學(xué)模型，非常適合處理涉及機(jī)、電、液、熱力學(xué)和控制等多學(xué)科交叉領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)動態(tài)行為的建模與仿真分析。而機(jī)電系統(tǒng)就是在機(jī)械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引入電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置通過傳感、驅(qū)動、實(shí)時接口有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成的系統(tǒng)，是典型的多學(xué)科交叉領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)。如飛機(jī)機(jī)電系統(tǒng)，包括液壓系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、起落架/剎車系統(tǒng)、輔助動力系統(tǒng)（APU）、生命保障系統(tǒng)和彈射救生系統(tǒng)等?；阪I合圖理論，能夠做到復(fù)雜機(jī)電液系統(tǒng)統(tǒng)一建模。因?yàn)闊o論是機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)還是液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)組件都可分為儲能場（包括容性元C和慣性元I）和耗能場（阻性元R），它們背后的方程形式是統(tǒng)一的，這種機(jī)制保證了機(jī)電液系統(tǒng)統(tǒng)一建模以及求解器統(tǒng)一解算。

鍵合圖理論知識的講授不能只停留于書本，需要與實(shí)踐相結(jié)合。傳統(tǒng)理論知識的講解一般要求學(xué)生能夠根據(jù)給定的真實(shí)系統(tǒng)剝離出物理模型，根據(jù)物理模型繪制鍵合圖模型，并建立因果關(guān)系。此時學(xué)生對于鍵合圖理論的掌握僅僅停留在概念上，缺乏對理論知識更直觀的理解，往往導(dǎo)致學(xué)生知道“該如何做”，卻不明白“為什么這樣做”。因此，在此處引入MATLAB-Simulink工具，在鍵合圖的基礎(chǔ)上，通過引導(dǎo)教學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)掌握MATLAB-Simulink工具，在Simulink中建立該系統(tǒng)的框圖，并通過實(shí)際仿真來使得學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識，并能實(shí)踐和檢驗(yàn)所學(xué)知識，從而使得學(xué)生對于理論知識的理解立體化，形成良性循環(huán)，即學(xué)習(xí)、實(shí)踐、檢驗(yàn)、再學(xué)習(xí)。以電機(jī)抬升物體的簡單系統(tǒng)為例，如圖3所示，由電源供電的電機(jī)帶動線纜輪鼓轉(zhuǎn)動，從而抬升或降下物體。首先，學(xué)生根據(jù)理論知識剝離出該系統(tǒng)的物理模型，即系統(tǒng)分為電和機(jī)械兩部分，電能通過電機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能帶動輪轂轉(zhuǎn)動，抬升物體。進(jìn)一步地，電機(jī)為回轉(zhuǎn)器（GY），輪轂為變換器（TF），學(xué)生需要根據(jù)理論知識，建立系統(tǒng)的功率鍵合圖，并建立因果關(guān)系。得到因果關(guān)系的鍵合圖后即可提煉出系統(tǒng)微分方程，得到系統(tǒng)框圖。Simulink中具有友好的圖形化用戶交互界面，是典型的基于傳遞函數(shù)的建模方式，學(xué)生可以直觀地拖動想要的框圖結(jié)構(gòu)，通過簡單的連線和賦予參數(shù)即可建立系統(tǒng)模型，并通過設(shè)置輸入輸出來進(jìn)行仿真調(diào)試。通過鍵合圖建立系統(tǒng)的Simulink模型，能讓學(xué)生對鍵合圖理論的理解更加深入、立體，而模型的仿真結(jié)果反過來能夠進(jìn)一步檢驗(yàn)鍵合圖理論，并根據(jù)參數(shù)對鍵合圖進(jìn)行完善，形成良性循環(huán)。

2? 多領(lǐng)域系統(tǒng)仿真平臺教學(xué)——AMESim

AMESim是一款多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺，全稱為Advanced Modeling Environment for Simulation of engineering systems，最早由法國Imagine公司與1995年推出，在2007年被比利時LMS公司收購，后于2016年被德國西門子（SIEMENS）公司收購，目前已經(jīng)歷多次版本更迭。AMESim允許用戶在一個綜合平臺上建立復(fù)雜的涉及多學(xué)科領(lǐng)域的系統(tǒng)模型，并在模型的基礎(chǔ)上開展仿真、設(shè)計(jì)、優(yōu)化和深入分析，強(qiáng)大的多學(xué)科領(lǐng)域庫與友好的圖形化人機(jī)交互界面使得用戶幾乎可以在AMESim中研究任何元件或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能。目前AMESim是最適合機(jī)電液綜合系統(tǒng)的建模的軟件之一。從理論層面，支持多種建模方式，包括鍵合圖、Modelica、框圖等。

如圖4所示，作為多領(lǐng)域、多學(xué)科的專業(yè)建模仿真平臺，支持機(jī)械、流體、熱分析、電磁、控制、能源和車輛等多領(lǐng)域，包含多種庫，如機(jī)械機(jī)構(gòu)、動力傳動、液壓元件、氣動設(shè)計(jì)、熱、電磁、電機(jī)和控制信號等庫，內(nèi)含多達(dá)4 500種模型。用戶可以通過圖形化界面實(shí)現(xiàn)來自不同物理領(lǐng)域的經(jīng)過預(yù)先定義和驗(yàn)證的元件搭建目標(biāo)系統(tǒng)，再根據(jù)系統(tǒng)需求的不同，提供復(fù)雜程度逐漸增加的多種元件子模型供選擇，無需編寫額外代碼，能夠大大簡化系統(tǒng)模型的搭建流程，提高建模效率。同時，AMESim具有文檔齊全的詳細(xì)幫助系統(tǒng)，針對任何陌生元件都可在Help中查詢其具體用法、輸入輸出參數(shù)與demo樣例等，使得大部分基礎(chǔ)內(nèi)容都可通過自學(xué)掌握。同時AMESim預(yù)留了多種外部接口，如MATLAB-Simulink、ANSYS、Python等接口，支持多軟件聯(lián)合仿真，支持模塊級、代碼級二次開發(fā)，是集設(shè)計(jì)、優(yōu)化一體化的開放平臺。

圖4? 課程引入的多學(xué)科仿真平臺

AMESim多學(xué)科領(lǐng)域建模仿真平臺非常適合機(jī)電液建模仿真教學(xué)。軟件操作簡單、易于上手、界面清晰簡潔且人機(jī)交互友好，學(xué)生在動手實(shí)踐的過程中能夠?qū)W習(xí)了解多領(lǐng)域多學(xué)科模型的建立流程，理解不同學(xué)科領(lǐng)域能量轉(zhuǎn)化、傳遞的原理，檢驗(yàn)先前學(xué)習(xí)過的多個學(xué)科的基礎(chǔ)理論知識，是提升學(xué)生實(shí)踐能力、培養(yǎng)工程素質(zhì)的首選。在AMESim的教學(xué)過程中，同樣需要通過具體實(shí)例讓學(xué)生實(shí)踐運(yùn)用，從而熟悉其建模仿真流程。以電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制仿真建模為例，給定泵的排量輸入轉(zhuǎn)速與液壓馬達(dá)的排量、液壓管路直徑與長度、溢流閥壓力、負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量與油液介質(zhì)等參數(shù)，目標(biāo)是建立一個簡單的電液傳動系統(tǒng)，并分析其壓力流量特性。學(xué)生需要根據(jù)授課老師的引導(dǎo)，選擇對應(yīng)的元件庫，提取其中的元件進(jìn)行圖形化的草圖建模，再對選擇的元件進(jìn)行子模型的選取，接下來輸入給定參數(shù)，最后進(jìn)行仿真。通過簡單的電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)建模使得學(xué)生熟悉AMESim仿真的一般流程，為后續(xù)實(shí)踐教學(xué)打下基礎(chǔ)。

（二）? 機(jī)電系統(tǒng)建模實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)——以機(jī)載液壓馬達(dá)/發(fā)電機(jī)仿真為例

不同于傳統(tǒng)機(jī)電類教學(xué)課程，實(shí)踐式教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)提升學(xué)生的實(shí)踐能力、工程素質(zhì)，培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)綜合素質(zhì)和解決工程實(shí)際問題的能力。因此在實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)上，選用多種真實(shí)存在的典型機(jī)電液系統(tǒng)，如車輛懸掛系統(tǒng)、船用電液復(fù)合提升系統(tǒng)和飛機(jī)液壓馬達(dá)/發(fā)電機(jī)等，由學(xué)生兩人一組自由組隊(duì)，以興趣為導(dǎo)向，以先前學(xué)習(xí)的鍵合圖理論為基礎(chǔ)，通過AMESim與Simulink多平臺聯(lián)合仿真的方式，對目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行建模實(shí)踐。本文將以機(jī)載液壓馬達(dá)/發(fā)電機(jī)為例，闡述實(shí)踐教學(xué)的流程。

1? 航空機(jī)載液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)簡介

航空機(jī)載液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)是飛機(jī)多余度供電系統(tǒng)中的重要組成部分。當(dāng)?shù)谝挥喽鹊闹靼l(fā)電機(jī)停車且第二余度的輔助動力裝置（APU）完全失效時，處于第三余度的空氣沖壓渦輪（RAT）啟動，憑借飛機(jī)前進(jìn)時的高速氣流帶動渦輪轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的渦輪驅(qū)動應(yīng)急液壓泵工作，向機(jī)載液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)提供壓力輸入，機(jī)載液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)輸出電壓向飛機(jī)供電。如圖5所示，為波音B757/B767上所采用的液壓馬達(dá)發(fā)電機(jī)，其包含伺服控制、變排量的液壓馬達(dá)并集成了三相無刷直流電機(jī)。設(shè)計(jì)輸入壓力為200 bar，輸出270 V直流電壓。

2? 機(jī)載液壓馬達(dá)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)

在仿真實(shí)踐教學(xué)上，需要以任務(wù)為引導(dǎo)，提供系統(tǒng)的輸入、輸出目標(biāo)及中間必要環(huán)節(jié)參數(shù)，給予學(xué)生充分的自由發(fā)揮空間。設(shè)置多個目標(biāo)，由淺入深，難度逐步遞增，引導(dǎo)學(xué)生依次建立系統(tǒng)鍵合圖、Simulink框圖、AMESim模型和最終的AMESim/Simulink多平臺聯(lián)合仿真模型。遵循實(shí)際工程設(shè)計(jì)仿真研發(fā)流程，讓學(xué)生逐步完成對整個系統(tǒng)模型的建立與仿真，既能檢驗(yàn)學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的理解、對工程系統(tǒng)的分析，還能充分鍛煉學(xué)生分工協(xié)作、團(tuán)隊(duì)交流的能力。

首先，學(xué)生需要根據(jù)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)理論知識，對機(jī)載液壓馬達(dá)/發(fā)電機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)剖析，系統(tǒng)包括液壓（Hydraulic）、電機(jī)（Motor）、發(fā)電機(jī)（Generator）和電力（Electric）四個領(lǐng)域，從提取出的物理模型中建立系統(tǒng)的功率鍵合圖，并梳理因果關(guān)系，例如：系統(tǒng)輸入壓力來自空氣沖壓渦輪（RAT）驅(qū)動的液壓泵，以勢源表示；考慮管路液阻效應(yīng)，以0結(jié)點(diǎn)連接阻性元R，系統(tǒng)變排量液壓馬達(dá)為變換器MTF，其排量可變，因此變換器因數(shù)也可變；考慮液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量與馬達(dá)粘性摩擦，以1結(jié)點(diǎn)連接慣性元與阻性元。為了使因果圖不矛盾，在發(fā)電機(jī)與馬達(dá)之間添加0結(jié)點(diǎn)，考慮彈性變形，添加容性元。發(fā)電機(jī)為回轉(zhuǎn)器GY，由馬達(dá)輸入的轉(zhuǎn)動，此處考慮發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，以1結(jié)點(diǎn)連接慣性元；輸出電壓，考慮繞組電阻與電感，以1結(jié)點(diǎn)連接，如圖6所示。

在建立功率鍵合圖的基礎(chǔ)上，搭建系統(tǒng)的Simulink框圖，由于飛機(jī)飛行速度不定，空氣沖壓渦輪（RAT）輸入的壓力也會產(chǎn)生波動，因此需要設(shè)計(jì)閉環(huán)控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)/發(fā)電機(jī)的可變排量，來保證輸出電壓的穩(wěn)定。此處學(xué)生可以根據(jù)建立的框圖分別仿真系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)特性，對比分析其不同，而針對閉環(huán)系統(tǒng)，可以引導(dǎo)學(xué)生在輸入壓力、負(fù)載上分別添加擾動，來驗(yàn)證系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)能力，根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)一步改進(jìn)模型，提升系統(tǒng)的魯棒性。接下來學(xué)生需要建立系統(tǒng)的AMESim模型。在理論教學(xué)部分，學(xué)生已經(jīng)初步熟悉了AMESim仿真平臺的運(yùn)用，此時學(xué)生只需在圖形化的界面中，選擇相應(yīng)的元件進(jìn)行連接，定義其子模型，賦予參數(shù)即可。相比Simulink框圖，AMESim更加直觀和易于理解，同樣的，學(xué)生可以在輸入壓力和負(fù)載電阻上施加擾動，來檢驗(yàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，并與Simulink模型的結(jié)果進(jìn)行對比。如圖7所示，為系統(tǒng)的Simulink框圖與AMESim模型。

在分別建立Simulink框圖與AMESim模型后，最后引導(dǎo)學(xué)生利用AMESim中預(yù)留的Simulink軟件接口，實(shí)現(xiàn)多平臺的聯(lián)合仿真。聯(lián)合仿真能充分發(fā)揮多學(xué)科交叉優(yōu)勢，在工程中能最大效率地協(xié)同各學(xué)科及各領(lǐng)域工程師，發(fā)揮單一領(lǐng)域?qū)W科及軟件仿真的優(yōu)勢。AMESim基于物理模型建立，系統(tǒng)直觀立體，但精度方面不高，而MATLAB-Simulink基于數(shù)學(xué)模型，精度更高，控制更加精確。以本課程為例，在AMESim中建立飛機(jī)液壓馬達(dá)的系統(tǒng)級模型會更加直觀容易，而Simulink在控制開發(fā)方面更加專業(yè)，用于建立系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié)控制效果更好。二者聯(lián)合仿真，能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，即控制系統(tǒng)與機(jī)電系統(tǒng)的集成，如圖8所示。通過AMESim-Simulink聯(lián)合仿真，學(xué)生能充分感受到多學(xué)科、多領(lǐng)域交叉模型仿真的優(yōu)勢，培養(yǎng)學(xué)生的多學(xué)科交叉意識、開拓工程思維與多維度視野，實(shí)現(xiàn)學(xué)生多學(xué)科知識的傳授、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和跨專業(yè)綜合素質(zhì)的塑造。

三? 結(jié)束語

本文針對目前傳統(tǒng)機(jī)電類課程設(shè)計(jì)中重理論、輕實(shí)踐的問題，依托北京航空航天大學(xué)面向研究生開設(shè)的機(jī)電系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)及仿真實(shí)踐課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出一種以實(shí)踐為核心，理論與實(shí)踐相融合的教學(xué)方式。介紹了課程的主要內(nèi)容，并從機(jī)電系統(tǒng)建模理論教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)兩方面闡述了課程以實(shí)踐為核心的教學(xué)模式，并以機(jī)載液壓馬達(dá)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)為例，著重介紹了西門子多學(xué)科仿真平臺AMESim和MATLAB-Simulink控制仿真平臺的聯(lián)合仿真實(shí)踐教學(xué)案例。通過上述理論與實(shí)踐相融合的教學(xué)方式，能夠充分鍛煉研究生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)綜合素質(zhì)和解決工程實(shí)際問題的能力，實(shí)現(xiàn)學(xué)生多學(xué)科知識的傳授、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和跨專業(yè)綜合素質(zhì)的塑造。

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基金項(xiàng)目：中國航空科學(xué)基金項(xiàng)目“電驅(qū)動水平安定面作動系統(tǒng)研究”（ASFC-20200007051001）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目“機(jī)電伺服系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究”（100062022912）；北京航空航天大學(xué)2021年研究生精品課程建設(shè)項(xiàng)目“機(jī)電系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)及仿真實(shí)踐”（07113107）

第一作者簡介：付劍（1985-），男，漢族，湖北鄂州人，博士，副教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)閺?fù)雜機(jī)電系統(tǒng)建模理論、機(jī)電一體化設(shè)計(jì)及優(yōu)化、航空航天驅(qū)動傳動與伺服控制。

*通信作者：趙江澳（1990-），男，漢族，河北石家莊人，博士，副教授。研究方向?yàn)闄C(jī)電液驅(qū)動與傳動、高端液壓元件設(shè)計(jì)與控制策略。