機械工程控制的虛擬仿真實驗教學實踐

張智煥，張惠娣

(浙江大學 寧波理工學院 機電設計與控制工程研究所，浙江 寧波 315100)

虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內容，是學科專業與信息技術深度融合的產物[1-4]。在高危的環境，不可及的操作，高成本、高消耗、大型綜合訓練等情況下，虛擬仿真實驗教學能夠提供可靠、安全和經濟的實驗項目[5-8]。高等學校要以全面提高學生創新精神和實踐能力為宗旨，以共享優質實驗教學資源為核心，以建設信息化實驗教學資源為重點，建設具有示范、引領作用的機械工程控制基礎虛擬仿真實驗教學中心，持續推進實驗教學信息化建設，推動實驗教學的改革與創新。

虛擬仿真實驗教學依托虛擬現實和多媒體技術，CAD、ProE和Matlab等軟件，以及人機交互、數據庫和網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，學生在虛擬環境中開展實驗[9]，達到教學大綱所要求的教學效果。

1 虛擬仿真實驗教學資源

浙江大學寧波理工學院發揮本校學科專業優勢，積極利用企業的開發實力和支持服務能力，充分整合學校信息化實驗教學資源，以培養學生綜合設計、創新能力為出發點，創造性地建設和應用高水平的軟件共享虛擬實驗、儀器共享虛擬實驗和遠程控制虛擬實驗等教學資源，提高教學能力，拓展實踐領域，豐富教學內容，降低成本和風險，開展綠色實驗教學。

例如，學院開設了機械工程控制基礎虛擬仿真實驗，包括：

實驗一：典型環節的模擬及其一階響應；

實驗二：二階系統的模擬和時間響應分析；

實驗三：控制系統應用軟件及典型控制系統建模分析；

實驗四：控制系統頻域特性分析；

實驗五：控制系統校正及PID仿真。

本文以控制系統頻域特性分析為例，描述虛擬仿真過程。

(1) 奈奎斯特圖(幅相頻率特性圖)。

Matlab為用戶提供了專門用于繪制奈奎斯特圖的函數nyquist，常用格式為：nyquist (num,den)；

或nyquist (num,den,w) 表示頻率范圍0～w；

或nyquist (num,den,w1:p:w2) 繪出在w1～w2頻率范圍內，且以頻率間隔p均勻取樣的波形。

舉例如下：

輸入

>> num=[2,5,1]；den=[1,2,3];nyquist(num,den)

顯示見圖1。

圖1 奈奎斯特圖

(2) 對數頻率特性圖(波特圖)。

Matlab為用戶提供了專門用于繪制波特圖的函數bode，其常用格式：

bode (num,den)

或bode (num,den,w) 表示頻率范圍0～w。

或bode (num,den,w1:p:w2) 繪出在w1～w2頻率范圍內，且以頻率間隔p均勻取樣的波形。

舉例如下：

輸入

>> num=[1];den=[1,0.2,1];bode(num,den)

顯示見圖2。

圖2 波特圖

2 虛擬仿真實驗教學共享平臺

為高效管理實驗教學資源，實現校內外、本地區及更廣范圍內的實驗教學資源共享，滿足多個地區、多個學校和多個學科專業的虛擬仿真實驗教學的需求，要建設具有擴展性、兼容性、前瞻性的共享平臺。可探索校企共建共管的新模式和新途徑，建立可持續發展的虛擬仿真實驗教學共享平臺[10-11]，共享平臺視頻材料為通用流媒體格式文件。視頻材料包含實驗教學中心環境全貌、設備全貌、實驗項目操作界面和功能界面等內容，軟件為Matlab、CAD、ProE等。

3 教學團隊建設和虛擬仿真實驗教學中心管理

建設教學、科研、技術人員結合，核心骨干人員相對穩定，結構合理的虛擬仿真實驗教學隊伍，形成一支教育理念先進、學術水平高、教學科研能力強、實踐經驗豐富、勇于創新的虛擬仿真實驗教學團隊。

以虛擬仿真實驗教學資源的開放、共享、充分使用為目標，制定并有效實施保障虛擬仿真實驗教學的教師工作績效考核、經費使用、實驗教學中心維護、可持續發展等政策措施，制定有利于激勵學生學習和提高學生創新能力的教學效果考核、評價和反饋機制[12]。

4 結束語

本文分析了傳統實驗教學模式中存在的問題,以及實物實驗教學無法在MOOC教學中應用，指出隨著網絡技術飛速發展以及MOOC教學的普遍應用,在高等學校利用虛擬實驗室進行實驗教學已成為一種趨勢,將會成為未來實驗教學的重要途徑和方式。建議設立教研項目，加快研究開發虛擬實驗及建設虛擬實驗室，并逐步完善，使其成熟,擔當起實驗教學的重任。

虛擬實驗室是對傳統實驗教學模式的革新，十分適合新的MOOC教學、新的學生培養模式，在高校實驗教學中具有廣闊的應用前景。

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