《機電傳動與控制》教學仿真試驗平臺的建設與應用

劉海寧　張金凱　王娜　趙洪華

【摘 要】針對機械類專業《機電傳動與控制》教學模式現狀，為了創新教學模式，提高教學質量，提出基于Matlab/Simulink構建系統完整的教學仿真試驗平臺，并將其在課堂教學、虛擬實驗教學、創新能力培養等多方面進行應用，取得了較好的教學效果。

【關鍵詞】《機電傳動與控制》課程；教學仿真平臺；本科教學

中圖分類號： G642；TH132-4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）19-0150-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.066

《機電傳動與控制》是“機械工程及自動化”專業的主干技術基礎課，涉及數學、物理學、電子學、控制理論等多方面知識，兼具較強的學科交叉性和工程實用性，在專業知識結構上起著承下啟上的作用。在多年的教學過程中發現以下突出矛盾：一是教學學時較少，而教學內容較多；二是課程內容理論性強，有理論推導、有定性分析、有定量計算，特別是涉及到多學科知識的綜合利用，對學生知識結構的寬度和深度要求都比較高；三是實驗建設的系統性欠佳。作為一門技術基礎課，不針對具體應用，但是又面向工程應用，雖然設置了一定學時的電機實驗，但不足以形成對課程理論體系的全方面支撐。仿真實驗平臺能夠拉近學生與理論知識的距離，與課堂教學可以深度融合，同時具有投入成本低、運用靈活的優點，能夠對現有《機電傳動與控制》課程教學形成全面支撐和必要補充。

1 《機電傳動與控制》教學模式現狀

在《機電傳動與控制》的教學實施上，絕大多數高校采取了“理論教學+實驗實踐”相結合的模式。王克義[1]等對其本省高等院校《機電傳動與控制》教學進行了廣泛調研，突出反映出了該課程教學模式單一、教學內容脫離實際、教學手段落后、忽視實驗教學等問題。這些問題在全國各高校包括本校的《機電傳動與控制》教學中具有很強的代表性。針對這些問題，各高校教學人員均探索了不同方式的教改實踐。許焰等[2]在課堂教學過程中綜合運用多種教學方式激勵學生學習興趣，培養學生工程設計能力及創新意識，并以科研引導教學，提高教學效果。杜福銀[3]在《機電傳動與控制》教學過程中著重實踐了問題式教學方式，取得了較好的教學效果。王克義等[1]將任務驅動教學法引入課堂教學，同時注重對教學內容的更新和教學手段的豐富，多方并舉，教學質量明顯提高，學生的綜合能力得到改善，值得深入學習和借鑒。其中，教學資源平臺構建和教學手段更新是進行深入教學改革和研究的鋪墊，因此各高校都十分重視對教學資源的投入和教學手段的構建，例如：鄒麗君[4]基于softPLC設計了機電傳動控制虛擬實驗平臺；劉振[5]基于PLC設計了機電傳動控制教學實驗系統。基于實際硬件系統的實驗教學中是不可替代的重要環節，但實驗平臺構造復雜，實驗內容也十分有限，且投入和使用成本較高，而在此基礎上廣泛開展仿真實驗能夠使實驗教學得到有效地補充。

目前可采用的機電傳動及控制虛擬仿真工具也比較多，但各有優劣，如鄒麗君[4]所采用的softPLC側重對電動機控制方式的模擬和仿真，但欠缺對電動機機械特性的仿真支持。Matlab以其靈活的編程語言、豐富的圖形繪制、強大的數據處理能力以及模塊化的動態系統仿真工具Simulink，成為仿真領域最受歡迎的軟件；同時Matlab對電動機建模、運行仿真、控制仿真的支持也較為全面，因此是較為理想的仿真工具，相關應用也較多，例如：基于Matlab/Simulink平臺，朱春鴦[6]等進行了異步電動機機械特性的仿真；賈建強等[7]進行了交流電機調速系統的建模與仿真。實驗教學實踐證明：將基于Simulink仿真實驗應用到電機實驗教學中，可以生動、形象地將電機性能顯示出來，便于分析研究，具有較強的實踐指導意義，同時可以彌補傳統實驗方法的不足，對于一些不能或不便于用實際設備演示的實驗項目，借助仿真實驗分析，可減少實物實驗設備、耗材費用，使學生能夠更深入地理解和掌握理論知識，提高學習效果。但是，基于Matlab/Simulink的實驗平臺建設系統性和完整性有待進一步加強，同時與課堂教學需要進一步融合。

2 《機電傳動與控制》教學仿真平臺的建設

《機電傳動與控制》的核心教學內容包括機電傳動的動力學基礎、直/交流電動機的工作原理與特性、常規控制電動機的構造與工作原理、以晶閘管為核心的電力電子學基礎、直/交流電動機調速系統等。通過對上述教學內容的進一步梳理和總結，按照教學內容之間的內在邏輯關系，對基于Matlab/Simulink教學仿真實驗平臺進行了系統化架構，如圖1所示。交、直流電動機的數學模型是進行教學仿真實驗平臺的基礎，通過構建直/交流電動機數學模型實現對直、交流電動機固有、人為機械特性的圖形化呈現，進而實現對電動機的啟動、調速、制動過程的動態分析；晶閘管及整流電路均是邏輯仿真分析，而交、直流調速系統的仿真分析需要進一步結合對調速元器件的建模和仿真綜合實現；教學仿真平臺的人機接口設計目的是為了便于教學及實驗的開展，將控制參數、變量等在程序界面設計輸入接口，并通過動態圖表的形式對仿真結果進行呈現，形成人機交互方便、原理與過程呈現直觀的教學仿真實驗平臺。

3 教學仿真平臺的應用

（1）作為一種教學輔助工具，與課堂理論教學進行深度融合

教學仿真實驗平臺的建設將還原教學內容的系統性和完整性作為重要目標，直接面向教材對應的理論知識點。將教學仿真實驗平臺搬入課堂，可以與原理視頻、圖文展示、理論推導有機結合，重構教學過程，打造“多位一體”的教學模式，提高教學的趣味性。例如：在進行交/直流電動機的機械和人為機械特性的每個理論點講解時，可在教學仿真平臺進行參數調整以觀察特性曲線的變化情況。

（2）作為教學實踐應用平臺，開展任務式虛擬實驗教學實踐

將教學仿真實驗平臺作為實物實驗的有效補充，通過大作業的形式開展任務驅動式虛擬實驗教學。以晶閘管整流電路、直/交流調速電路為主要虛擬試驗內容，擬定詳細的實驗內容、操作步驟、任務要求，規范化實驗報告，形成切實可行的虛擬實驗方案。通過虛擬實驗，一方面與實物實驗對照，使學生理解建模仿真的目的與意義，另一方面擴展實驗內容，使學生加深對理論教學內容的理解和掌握。

（3）作為現代工具使用的范本，培養學生解決復雜工程問題的能力

在課堂與虛擬試驗教學過程中，將教學仿真平臺本身作為其中一項教學內容，簡要介紹Matlab/Simulink的使用及仿真實驗教學平臺的虛構造原理，引導學生完成對實際工程問題的數學抽象、建模、仿真與分析。針對學有余力的同學，結合科創競賽、SRT項目等創新能力培養活動，面向工程素質培養進行科研基本能力的歷練。

4 結論

基于Matlab/Simulink的《機電傳動與控制》教學仿真實驗平臺不受實驗教學條件限制，教師能夠有效應用于課堂教學，學生能夠應用該平臺直觀地進行自學和虛擬實驗，與實物試驗能夠形成有效對照和補充，從而為更加行之有效教學模式的形成提供有效支撐。從先期的教學試驗應用來看，取得了較好的教學效果。

【參考文獻】

[1]王克義，黃玉瑄.機電傳動及控制教學改革的探索與實踐研究[J].教學研究，2016，39（1）：88-92.

[2]許焰，龐佑霞，唐勇.面向工程實踐 科研引導教學——《機電傳動與控制》課堂教學探究[J].當代教育理論與實踐， 2011，03（9）：80-82.

[3]杜福銀.問題式教學在機電傳動控制教學中的應用[J].高等教育研究：成都，2011（4）：82-84.

[4]鄒利軍.機電傳動控制課程虛擬實驗技術的研究[D].武漢：華中科技大學，2009.

[5]劉振.機電傳動控制教學實驗系統研究[D].武漢：華中科技大學，2011.

[6]朱春鴦，周政新.三相異步電動機調速機械特性仿真分析[J].上海第二工業大學學報， 2012（4）：288-295.

[7]賈建強，韓如成，左龍.基于MATLAB/SIMULINK的交流電機調速系統建模與仿真[J].電機與控制學報，2000，4（2）：91-93.