淺談虛擬實(shí)驗(yàn)在液壓傳動(dòng)教學(xué)中運(yùn)用

鮑家定

摘要：隨著機(jī)械專業(yè)在全國(guó)越來(lái)越多高校的開(kāi)設(shè)，液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的需求也越來(lái)越多，而實(shí)際根本無(wú)法滿足每個(gè)學(xué)生一臺(tái)的需求，這就需要將虛擬實(shí)驗(yàn)引入到實(shí)際教學(xué)中來(lái)。本文根據(jù)教學(xué)的實(shí)際需求，采用自上而下的設(shè)計(jì)方法，將虛擬實(shí)驗(yàn)引入液壓傳動(dòng)教學(xué)中來(lái)，通過(guò)模擬實(shí)際現(xiàn)象，達(dá)到學(xué)生教育應(yīng)用的目的和實(shí)驗(yàn)要求。

關(guān)鍵字：虛擬實(shí)驗(yàn)，液壓傳動(dòng)，教學(xué)，應(yīng)用

1、概述

作為機(jī)械類專業(yè)的一門主要課程，液壓傳動(dòng)涵蓋了數(shù)學(xué)、流體力學(xué)、電氣控制、機(jī)械設(shè)計(jì)等諸多學(xué)科，該課程是為了更好的結(jié)合理論實(shí)踐，使學(xué)生掌握液壓傳動(dòng)的基本理論和相關(guān)原理，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)等技術(shù)，達(dá)到進(jìn)一步的要求。液壓傳動(dòng)教學(xué)就是為了培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力和實(shí)際操作水平，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生達(dá)到扎實(shí)的基本理論知識(shí)和原理水平。

2、虛擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于教學(xué)的理論基礎(chǔ)

虛擬實(shí)驗(yàn)是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制等技術(shù)滿足實(shí)際情況模擬發(fā)生的現(xiàn)象，達(dá)到明確的感官認(rèn)識(shí)的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，學(xué)校的教學(xué)條件有限，教師在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中更好的滿足學(xué)生的直接認(rèn)識(shí)，需要引進(jìn)虛擬實(shí)驗(yàn)。隨著電子計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)軟件在不斷優(yōu)化和形象化，能夠達(dá)到教學(xué)的目的，而且虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驖M足資源重復(fù)利用，有利于滿足學(xué)生對(duì)整個(gè)過(guò)程的直接視覺(jué)認(rèn)識(shí)。一般情況下，教材都會(huì)把實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出，而實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的不確定性和多變性會(huì)引發(fā)學(xué)生的思考，激發(fā)學(xué)生的興趣，對(duì)提出問(wèn)題和解決問(wèn)題能夠有很大的幫助。根據(jù)教學(xué)需求，虛擬實(shí)驗(yàn)軟件也在不斷升級(jí)，能夠滿足越來(lái)越多的虛擬實(shí)驗(yàn)的要求。

3、虛擬實(shí)驗(yàn)在液壓傳動(dòng)教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是將教學(xué)內(nèi)容、各種設(shè)備有機(jī)的結(jié)合在一起，通過(guò)教師的指導(dǎo)和學(xué)生的實(shí)際操作，達(dá)到貼近實(shí)驗(yàn)的需求。本文通過(guò)簡(jiǎn)要的描述虛擬液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)的溢流閥動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)，來(lái)分析教學(xué)與系統(tǒng)間的關(guān)系。在虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，所有的設(shè)備都是通過(guò)一定的機(jī)械符合進(jìn)行運(yùn)行，其物理應(yīng)用平臺(tái)能夠解決輸入輸出問(wèn)題，其核心是軟件運(yùn)行，軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接影響實(shí)驗(yàn)的效果，因此，需要通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)和調(diào)整，設(shè)計(jì)出一個(gè)好的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，達(dá)到滿足實(shí)驗(yàn)和教學(xué)要求。下面介紹液壓傳動(dòng)中溢流閥虛擬動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。

3.1溢流閥動(dòng)態(tài)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

目前，較常采用的為型式試驗(yàn)。型式試驗(yàn)的測(cè)量精度較高，試驗(yàn)條件也較為嚴(yán)格，通過(guò)試驗(yàn)可以較為全面的了解溢流閥的性能參數(shù)。

溢流閥動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)的主界面如圖1所示：

從溢流閥動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)的主界面我們可以看到溢流閥動(dòng)態(tài)特性曲線和濾波后特性曲線的對(duì)比。從記錄數(shù)據(jù)位置將數(shù)據(jù)導(dǎo)入，通過(guò)設(shè)定不同的采樣參數(shù)和濾波，得出不同的特性曲線。在溢流閥動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)的主頁(yè)面左側(cè)，有停止/運(yùn)行，表示測(cè)試是否開(kāi)始。系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，例如信號(hào)電壓、截止頻率、超調(diào)率等都可以在主頁(yè)面左側(cè)設(shè)置完成。得到不同的測(cè)試曲線，可以將曲線保存到指定文件，用于以后數(shù)據(jù)讀取。溢流閥動(dòng)態(tài)特性曲線及其濾波后的特性曲線在主頁(yè)面顯示時(shí)，縱軸表示壓力，橫軸表示時(shí)間變化，可以清晰得到對(duì)比曲線。

3.2 軟件模塊的選擇應(yīng)用

參數(shù)模塊設(shè)置：主要參數(shù)包括（1）采樣率，又稱采樣頻率，即為每秒從外部輸入的連續(xù)信號(hào)中提取獲得并組成的離散信號(hào)的采樣個(gè)數(shù)。（2）采樣數(shù)，顧名思義，就是每次采集的數(shù)據(jù)量。

數(shù)據(jù)分析、處理模塊：在一個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)中，最重要的部分就是對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，以計(jì)算出用戶所需的結(jié)果或直接生成直觀的圖形，溢流閥動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)主要需要分析得到的就是其動(dòng)態(tài)特性曲線。為此，需要知道曲線的一些特征點(diǎn)，而這些都要根據(jù)采集的壓力信號(hào)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算出來(lái)。

濾波模塊：在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，因?yàn)槭擒浖到y(tǒng)，不管是輸出還是輸入都會(huì)產(chǎn)生噪聲影響，這就需要降低噪聲，達(dá)到高精度的數(shù)據(jù)。可以采用濾波器或者軟件程序消除噪聲，根據(jù)軟件供應(yīng)商提供的濾波設(shè)備進(jìn)行硬件消除噪聲，同時(shí)也采用軟件的方式實(shí)行濾波除噪。

數(shù)據(jù)捆綁模塊：該模塊從上到下分別使用了捆綁函數(shù)、創(chuàng)建數(shù)組函數(shù)以及數(shù)值至小數(shù)字符串轉(zhuǎn)換函數(shù)。由于捆綁函數(shù)及創(chuàng)建數(shù)組函數(shù)在前面已經(jīng)介紹過(guò)，現(xiàn)在主要介紹數(shù)值至小數(shù)字符串轉(zhuǎn)換函數(shù)的功能實(shí)現(xiàn)。

曲線、表格生成模塊：由于前面已經(jīng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行了捆綁及轉(zhuǎn)換字符串等相關(guān)操作，這一模塊只需要?jiǎng)?chuàng)建相關(guān)的圖形及表格控件，并將輸入接入即可。最下面的為用以生成相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表格的表格控件，這里使用了數(shù)字至小數(shù)字符串轉(zhuǎn)換函數(shù)，是為了將采和計(jì)算出的數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為寬度為、精度為的小數(shù)，并以字符串的形式放入表格中。如果以后要將這些數(shù)據(jù)寫(xiě)入表格中去，還需要使用分?jǐn)?shù)指數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換函數(shù)重新轉(zhuǎn)換回來(lái)。

實(shí)驗(yàn)報(bào)告模塊：該模塊用以根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其它相關(guān)信息生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并附帶打印功能，該模塊再次使用了格式化日期時(shí)間字符串函數(shù)，用以格式化實(shí)驗(yàn)的時(shí)間以日寸分來(lái)表示，并送入條件選擇結(jié)構(gòu)中去。實(shí)驗(yàn)報(bào)告模塊所使用的條件選擇結(jié)構(gòu)內(nèi)包含了一個(gè)名為“實(shí)驗(yàn)報(bào)告.vi”的子程序。這里需要注意的是，在條件選擇結(jié)構(gòu)外面接入了一個(gè)名為“打印”的布爾型按鈕，用以控制是否打印實(shí)驗(yàn)報(bào)告。實(shí)驗(yàn)報(bào)告從上到下依次為實(shí)驗(yàn)日期、實(shí)驗(yàn)人姓名、實(shí)驗(yàn)時(shí)間及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

復(fù)位模塊：該模塊用以將采集的數(shù)據(jù)以及以及生成并顯示的相關(guān)曲線復(fù)位，并等待實(shí)驗(yàn)人的下一次操作，以決定是否開(kāi)始新的采集分析過(guò)程。當(dāng)執(zhí)行復(fù)位操作時(shí)，條件選擇結(jié)構(gòu)為真，此時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部用以生成特性曲線和數(shù)據(jù)表的各種數(shù)據(jù)被全部置零，并等待實(shí)驗(yàn)人的下一次操作。復(fù)位模塊使得系統(tǒng)重新設(shè)置定義，滿足下一次實(shí)驗(yàn)要求。

每一組模塊的功能都是相互關(guān)聯(lián)的，為了更好得到虛擬實(shí)驗(yàn)的效果，需要不斷改進(jìn)程序流程，去除噪聲和干擾，達(dá)到具體教學(xué)應(yīng)用，使得學(xué)生更好理解掌握所授實(shí)驗(yàn)及原理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)介紹液壓傳動(dòng)在機(jī)械類專業(yè)的重要性，以及虛擬實(shí)驗(yàn)在具體教學(xué)中的理論基礎(chǔ)，闡述了虛擬實(shí)驗(yàn)在液壓傳動(dòng)教學(xué)中的應(yīng)用。根據(jù)實(shí)際教學(xué)的意見(jiàn)，我們?cè)谡麄€(gè)虛擬液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能夠通過(guò)參數(shù)的設(shè)定和數(shù)據(jù)處理，得到不同的實(shí)驗(yàn)效果，而對(duì)參數(shù)的調(diào)整和數(shù)據(jù)分析，可以滿足液壓傳動(dòng)的教學(xué)需求，達(dá)到教師及學(xué)生的教學(xué)和認(rèn)識(shí)目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘偉等. 虛擬儀器技術(shù)在液壓測(cè)試中的應(yīng)用[J]. 廣東：機(jī)床與液壓，2001

[2]韓偉. 液壓傳動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)的研究[D]. 安徽：安徽理工大學(xué)，2011