基于虛擬樣機(jī)的控制工程基礎(chǔ)案例教學(xué)探索

賈敏忠 趙衛(wèi) 張樹忠 戴福全

[摘 要]為提高本科教學(xué)水平，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，文章針對機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程，結(jié)合虛擬樣機(jī)技術(shù)，進(jìn)行案例教學(xué)實踐。依據(jù)課程的教學(xué)進(jìn)度和難度，建設(shè)了機(jī)械控制工程描述型、分析型及研究探索型等三個層次的機(jī)電系統(tǒng)虛擬樣機(jī)教學(xué)案例庫，并制訂了案例教學(xué)計劃及詳細(xì)的步驟。基于案例庫和教學(xué)計劃，引導(dǎo)機(jī)械制造及其自動化專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行案例教學(xué)。教學(xué)實踐表明，展開虛擬樣機(jī)案例教學(xué)，其案例庫的建設(shè)應(yīng)在分層級的基礎(chǔ)上，緊扣機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)知識。基于虛擬樣機(jī)的案例教學(xué)能促進(jìn)學(xué)生對控制工程基礎(chǔ)的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;緊密聯(lián)系工程實際的案例，可以增強(qiáng)學(xué)生關(guān)于機(jī)電控制系統(tǒng)的分析和綜合能力。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械控制工程基礎(chǔ);虛擬樣機(jī);案例教學(xué)

[中圖分類號] G642.4 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）03-0063-03

機(jī)械控制工程基礎(chǔ)是機(jī)械類本科教學(xué)的核心課程，是機(jī)械電子專業(yè)的靈魂。為響應(yīng)《中國制造業(yè)2025》產(chǎn)業(yè)升級的要求，我們在新工科教學(xué)改革項目的支持下，針對機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程，進(jìn)行了基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的案例教學(xué)探索。依據(jù)課程“數(shù)學(xué)建模—性能分析—綜合校正”的教學(xué)主線，結(jié)合如ADAMS/AMESim/MATLAB等軟件聯(lián)合仿真的虛擬樣機(jī)技術(shù)，構(gòu)建了包括機(jī)、電、液及控制系統(tǒng)的三個層面的虛擬樣機(jī)案例，并對案例教學(xué)的步驟設(shè)計與實施做了探索，經(jīng)過兩年多的教學(xué)實踐，取得一些經(jīng)驗和成果。現(xiàn)從國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域現(xiàn)狀、案例庫的建設(shè)及教學(xué)實踐三個方面進(jìn)行闡述。

一、控制工程基礎(chǔ)案例教學(xué)現(xiàn)狀及趨勢

國內(nèi)一些高校對機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程進(jìn)行了基于實物的案例化教學(xué)改革[1-4]，如采用“數(shù)控機(jī)床和數(shù)控雕刻機(jī)”的機(jī)電一體化教學(xué)案例[1]，或采用“飛機(jī)或船舶的舵機(jī)控制系統(tǒng)”等教學(xué)案例[2]。這些實物案例緊密聯(lián)系工程實踐，但其中單片機(jī)控制軟硬件技術(shù)、數(shù)字濾波技術(shù)、非線性控制等知識，對于第5學(xué)期普通機(jī)械類學(xué)生而言，實施案例教學(xué)有難度。有些高校采用MATLAB和LabVIEW對控制系統(tǒng)進(jìn)行案例設(shè)計和教學(xué)[3]，或購買開放式運動控制軟硬件系統(tǒng)以實現(xiàn)控制工程基礎(chǔ)案例教學(xué)[4]。這些案例能夠?qū)⑾到y(tǒng)中將較難的軟硬件技術(shù)透明化，使得學(xué)生能關(guān)注課程的核心知識點。上述教學(xué)案例在電子與信息技術(shù)主導(dǎo)的工業(yè)3.0時代，適應(yīng)了高校相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，缺點是價格昂貴。

在以信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical Systems， CPS）融合技術(shù)為特征的工業(yè)4.0時代，國外一些高校進(jìn)行了虛擬仿真案例教學(xué)實驗，這為學(xué)生開展探究性的學(xué)習(xí)提供了先進(jìn)平臺[5-6]。國內(nèi)也有高校針對諸如機(jī)械動力學(xué)分析等課程，采用虛擬樣機(jī)建模仿真軟件（如ADAMS），進(jìn)行案例教學(xué)實踐[7]。另外，國內(nèi)科研人員在CPS領(lǐng)域深入研究，研發(fā)出可用于多物理域系統(tǒng)建模和虛擬仿真軟件MWORKS[8]。未來，在國產(chǎn)軟件及芯片的支持下，我國制造業(yè)將掌握系統(tǒng)原理與建模、動力學(xué)分析、控制系統(tǒng)設(shè)計、在線仿真及自動代碼生成等的智能制造技術(shù)。

綜合以上分析可知，以物理系統(tǒng)建模和信息計算應(yīng)用為本質(zhì)特征的虛擬仿真案例教學(xué)，是培養(yǎng)學(xué)生智能制造技術(shù)的基礎(chǔ)，是涵養(yǎng)其創(chuàng)新能力的有力手段。

二、虛擬樣機(jī)教學(xué)案例庫的建設(shè)

案例教學(xué)目的在于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。它要求教師以課程教學(xué)大綱為核心，以案例庫教材所提供的具體材料和問題為指導(dǎo)，組織學(xué)生進(jìn)行分析研究。它鼓勵學(xué)生提出見解、做出判斷和決策，以提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力[8] 。可見，精心挑選和設(shè)計案例庫是案例教學(xué)的起點。

項目組依據(jù)機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)大綱中“數(shù)學(xué)建模—性能分析—綜合校正”的教學(xué)主線，遵循從基礎(chǔ)到復(fù)雜的路線，設(shè)計了基于虛擬樣機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模的描述型、基于控制系統(tǒng)時頻特性的分析型和基于控制系統(tǒng)綜合的研究類型三個層次的案例教學(xué)模式。所建立的虛擬樣機(jī)模型采用ADAMS、氣液系統(tǒng)仿真軟件如AMESim和MATLAB軟件，采用聯(lián)合仿真的方式，進(jìn)行虛擬樣機(jī)控制系統(tǒng)的教學(xué)案例設(shè)計。

（一）描述型案例庫建設(shè)

這個層次的案例庫建設(shè)，關(guān)注機(jī)械控制工程基礎(chǔ)課程中的基礎(chǔ)知識點，使學(xué)生對其有深刻的認(rèn)知，并熟悉虛擬樣機(jī)建模和控制技術(shù)。在建模過程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生忽略具體系統(tǒng)中的細(xì)節(jié)，抽象出其運動學(xué)和動力學(xué)特征。據(jù)此，項目組設(shè)計了偏心連桿轉(zhuǎn)動控制、質(zhì)量彈簧滑塊伺服跟蹤系統(tǒng)、倒立擺控制系統(tǒng)及系統(tǒng)元素法電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等教學(xué)案例。

以偏心連桿轉(zhuǎn)速控制為例說明。在ADAMS軟件平臺中建立單個偏心桿機(jī)構(gòu)，并定義一個不在質(zhì)心處的轉(zhuǎn)動副。控制案例要求設(shè)計輸入控制力矩，使得偏心桿繞轉(zhuǎn)動副勻速轉(zhuǎn)動。采用ADAMS和SIMULINK聯(lián)合仿真來設(shè)計其PID控制系統(tǒng)。ADAMS軟件內(nèi)部采用微分代數(shù)方程建立參數(shù)化偏心連桿的非線性動力學(xué)模型，并以adams_sub形式輸出給MATLAB_SIMULINK軟件，將其作為控制對象。在ADAMS平臺中設(shè)置輸入Input和輸出Output兩個狀態(tài)變量，用于與SIMULINK控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。輸入Input狀態(tài)變量值等于SIMULINK中控制器的輸出，即力矩Torque;輸出Output為ADAMS偏心桿轉(zhuǎn)速偏移量Velocity_deviation，其值作為SIMULINK中PID控制器的輸入。調(diào)整PID控制器三個參數(shù)，仿真得到ADAMS中的驅(qū)動力矩曲線和偏心桿的轉(zhuǎn)動角速度曲線。仿真成功時的力矩曲線，擬合成多項式函數(shù)，可用于工程實踐。

從以上案例設(shè)計過程可知，采用ADAMS-SIMULINK虛擬樣機(jī)控制，促進(jìn)了學(xué)生對機(jī)械控制工程基礎(chǔ)核心知識點的把握;當(dāng)學(xué)生遇到非線性模型時，借助虛擬樣機(jī)建模，用SIMULINK設(shè)計和調(diào)試PID控制算法，初步實現(xiàn)從控制理論到工程實踐的過程。其他的案例，如倒立擺虛擬樣機(jī)控制，還可以采用基于虛擬樣機(jī)的前饋PID控制，有助于PID控制算法的深入學(xué)習(xí)。

（二）分析型案例庫建設(shè)

這個層次案例教學(xué)的目的，是在工程實踐中將機(jī)械控制工程基礎(chǔ)中的時/頻特性分析等的知識點與虛擬樣機(jī)技術(shù)結(jié)合，還需綜合運用力學(xué)、機(jī)械設(shè)計、機(jī)械原理及液壓氣動等多學(xué)科知識分析問題。

下面以方程式賽車懸架機(jī)構(gòu)及其振動頻率特性分析為例闡述。基于如圖1所示的方程式賽車，構(gòu)建其虛擬樣機(jī)，設(shè)置可調(diào)整的輪胎-連桿懸架-車身系統(tǒng)參數(shù)值：如連桿結(jié)構(gòu)和尺寸，各個減震彈簧阻尼Ci和剛度Ki，，車身結(jié)構(gòu)尺寸等。如圖2所示，通過仿真，繪制出相應(yīng)懸架-車身系統(tǒng)振動分析的幅頻特性圖。圖2中每個輪上設(shè)置強(qiáng)迫力作為輸入Input，如左前輪輸入Input_left_front采用sin函數(shù)，其頻率從1到100Hz變化;坐墊的加速度Output_seat_acc 為輸出，做系統(tǒng)頻率特性仿真分析，可以分析物理模型和機(jī)構(gòu)參數(shù)在不同輸入下的頻率響應(yīng)情況。基于課程中傳遞函數(shù)建模與頻率特性分析法，分析圖2虛擬樣機(jī)不同頻率幅頻特性曲線，還有助于理解線性模型的建立過程中參數(shù)的不同設(shè)置對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

除了上述方程式賽車車身及懸架系統(tǒng)頻率特性分析、穩(wěn)定性分析外，這個層次的案例庫還包括挖掘機(jī)的機(jī)械臂液壓控制系統(tǒng)、升降平臺液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計與動態(tài)特性分析、電動車電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計與分析等源自工程實踐的案例。這些案例能讓學(xué)生在加深理解課程知識點的同時，了解其在工程實際應(yīng)用中的情況。

（三）研究型案例庫建設(shè)

研究型案例庫包括基于ADAMS-SIMULINK聯(lián)合仿真的多自由度并聯(lián)、串聯(lián)機(jī)器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計，電動汽車四輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，考慮摩擦補償?shù)膬奢喌沽[小車控制系統(tǒng)等案例。

下面以串聯(lián)式機(jī)械臂虛擬樣機(jī)運動控制系統(tǒng)案例分析為例說明。如圖3，參考六自由度機(jī)械臂實物，建立ADAMS虛擬樣機(jī)。在各個旋轉(zhuǎn)副上加驅(qū)動作為控制系統(tǒng)輸入，測量各部件方位角作為控制系統(tǒng)輸出。基于ADAMS動力學(xué)系統(tǒng)和SIMULINK控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真。這一案例的研究目的在于找到旋轉(zhuǎn)副驅(qū)動力與摩擦、桿長、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、負(fù)載及機(jī)械臂位置等的內(nèi)在聯(lián)系。

分析這些研究型的案例，要求學(xué)生有矩陣論的知識，會分析控制矩陣可能出現(xiàn)奇異解的情況;有數(shù)值計算方法的知識，會依據(jù)系統(tǒng)模型選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)值計算方法，能對計算結(jié)果做正確分析。這對于普通機(jī)械類本科生而言有難度。為了讓學(xué)生循序漸進(jìn)地分析研究型案例，如做六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)案例分析時，可以先固定其中3個旋轉(zhuǎn)副，只做手腕、手臂、肩及軀干之間的3個旋轉(zhuǎn)副運動控制與分析。在案例教學(xué)時，指導(dǎo)學(xué)生預(yù)先學(xué)習(xí)D-H坐標(biāo)系，建立三階動力學(xué)方程組，借助SIMULINK中的S函數(shù)建立系統(tǒng)模型及其PID控制算法。調(diào)試S函數(shù)中PID控制器參數(shù)，改變控制輸入，分析軌跡跟蹤情況，總結(jié)出不同控制參數(shù)與系統(tǒng)輸出的內(nèi)在聯(lián)系。學(xué)生通過分析研究型案例，可以知道：PID算法可以控制傳遞函數(shù)難以表征的非線性系統(tǒng);PID參數(shù)的整定對控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性很重要;要想徹底掌握控制系統(tǒng)設(shè)計過程，還要學(xué)習(xí)數(shù)值計算、矩陣論以及高級控制算法等研究生階段的課程。

其他如多自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)、車輛轉(zhuǎn)向控制及倒立擺小車等的案例，也都可以適當(dāng)?shù)亟档碗y度，采用循序漸進(jìn)的策略。

三、案例教學(xué)的實踐

以案例庫為核心，編寫案例教材，使其成為師生案例教學(xué)過程的指導(dǎo)。教材內(nèi)容包括每個案例的教學(xué)目的、控制工程基礎(chǔ)中的相關(guān)知識點及其他相關(guān)課程的知識點、軟件基本操作技能、分析型和綜合型案例中虛擬樣機(jī)對應(yīng)實物的測量步驟等。

案例教材中規(guī)定每個虛擬樣機(jī)控制系統(tǒng)仿真實驗中的控制變量，同時提出因果關(guān)系的假設(shè)，鼓勵學(xué)生通過實驗操作來進(jìn)行控制設(shè)計和檢驗。教材中的案例還要規(guī)定非研究變量，如ADAMS虛擬樣機(jī)仿真參數(shù)、單位Units、算子Solver、仿真步長Step等，MATLAB參數(shù)如仿真時間Simulation time、算子Solver選擇等參數(shù)。對于案例仿真的實驗設(shè)計，如控制系統(tǒng)中的PID參數(shù)調(diào)整實驗，要向?qū)W生介紹析因法，鼓勵其考察兩個或多個變動因素對虛擬樣機(jī)控制系統(tǒng)響應(yīng)的效應(yīng)，建議其用表格形式來記錄。

數(shù)據(jù)的處理與分析時，規(guī)定數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)性能分析型較為簡單的控制實驗，采用ADAMS/AMESim軟件自帶的數(shù)據(jù)處理與分析模塊進(jìn)行分析;對于研究探索型實驗，可以采用MATLAB或者ADAMS/AMESim兩個方面的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。同時，要規(guī)定案例研究報告的格式，讓學(xué)生在規(guī)定的模式中，按步驟實踐虛擬實驗的過程，自由探索其內(nèi)在規(guī)律。

詳細(xì)的案例教材，便于學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)和教師的組織與指導(dǎo)。在課程開始階段，將案例教材與控制工程基礎(chǔ)教材一起發(fā)給學(xué)生，要求學(xué)生從案例教材中至少選擇4個案例，其中必選一個分析型或研究型案例。教學(xué)在虛擬仿真實驗室進(jìn)行，采用4次課，每次3節(jié)，每組3人。對于系統(tǒng)性能分析和綜合研究型案例，還要求學(xué)生到機(jī)器人示教中心、汽車工程創(chuàng)新中心及機(jī)電液一體化實驗室等實地測量虛擬樣機(jī)對應(yīng)的實物，掌握其尺寸和參數(shù)。這些具體參數(shù)，便于學(xué)生在虛擬樣機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計和參數(shù)調(diào)試時，有一個基本概念和范疇。

在案例教學(xué)課程中，應(yīng)處理好教師、助教與學(xué)生的關(guān)系，以鼓勵學(xué)生為主;對于遇到困難的學(xué)生和難以解決的問題，可以給出建議幫其解決問題;允許學(xué)生帶問題回去思考，約定下次課再做。案例教學(xué)考核與評價，以預(yù)習(xí)報告、軟件操作技能、相關(guān)知識點的掌握、案例分析報告為主。

四 總結(jié)

案例教學(xué)期間，項目組引導(dǎo)學(xué)生成功申報多項與控制相關(guān)的本科生創(chuàng)新項目，與學(xué)生合作發(fā)表多篇論文。其中福建工程學(xué)院賽車組借助虛擬樣機(jī)技術(shù)調(diào)整車輛參數(shù)，獲得中國大學(xué)生方程式賽車二等獎。基于虛擬樣機(jī)控制的案例教學(xué)，為學(xué)生在未來工作中展現(xiàn)創(chuàng)新能力打下了基礎(chǔ)。

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[責(zé)任編輯：陳 明]