液壓專業課的虛擬仿真實驗教學

楊秀萍， 胡文華， 徐曉秋

(1.天津理工大學 機械工程學院 機電工程國家級實驗教學示范中心， 天津 300384；2.天津理工大學 天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室， 天津 300384)

引言

液壓技術本身具有獨特的優勢，在工程領域中應用越來越廣泛。現代工業對液壓機械的性能以及自動化程度的要求不斷提高，液壓技術與電子、控制以及計算機技術密切融合，企業對機電液一體化技術人才需求提升，對高校人才培養也提出了更高的要求[1-3]。

液壓技術實踐性很強，要求學生在掌握基本理論的基礎上，具有實踐動手能力。因此，實踐環節在學生綜合運用專業知識能力、工程能力和創新能力的培養中具有重要地位。由于傳統液壓實驗設備能完成的實驗內容較為固定，綜合實驗較少，學生動手機會少，不利于培養學生的綜合實踐能力[4-5]。

隨著計算機技術的發展與應用，仿真技術在液壓課程教學中得到了廣泛應用[6-8]。開發仿真實驗，不受元件、實驗裝置和儀器、實驗場地等限制，在搭建、調試液壓系統回路和連接控制線路時，出現故障也不會有安全問題。同時仿真實驗教學方式彌補了某些實物實驗教學條件不足或難以實施的困難，拓展了現有的教學內容和手段，有效促進了實驗教學的改進和提高。

流體傳動與控制是天津理工大學機械電子工程專業的一個專業方向，其專業課程設置包括《液壓傳動》、《液壓傳動系統分析與設計》、《電液控制工程》[9]、《專業設計》等。根據工程教育認證畢業要求，通過學習這些課程，目的在于培養學生解決復雜工程問題的能力。近年來，在教學中，利用液壓仿真軟件AMESim，Automation Studio(AS)等，開發了液壓元件、基本回路和系統、液壓比例控制系統、伺服控制系統等仿真實驗，并應用在實驗教學中。

1 AMESim仿真實驗

AMESim是工程系統高級建模和仿真軟件。在仿真過程中，通過圖形界面為用戶提供了時域和頻域仿真建模環境。搭建系統或元件時，將所需的元件從相應的元件庫中拖到草圖區，對元件職能符號進行布置，2個選定的油口或接口之間可以自動繪制油路或連線。利用子模型功能可以給每個元件建立數學模型，定義工作參數，然后進行仿真計算，實現對系統或元件性能的模擬和測試[10]。

在《液壓傳動》教學過程中，應用AMESim仿真平臺，開發各類液壓閥、液壓基本回路的性能實驗。通過創建模型、參數設置、運行仿真，進行結果分析。改變元件的結構參數、回路特性參數等，可以觀察得到參數對性能的影響。圖1所示為溢流閥性能仿真實驗，圖1a為仿真模型，設置相關結構參數后，仿真得到壓力p隨時間t變化的曲線；同時，改變阻尼孔直徑d的大小(或黏性阻力)，可以看出阻尼孔對溢流閥動態性能的影響，如圖1b所示，阻尼孔增大時，阻尼作用減小，壓力上升時間縮短，但超調增加，調整時間增長。圖2為進油節流調速回路仿真實驗，圖2a為仿真模型，圖2b為不同節流口開口系數時的速度-負載特性曲線。為使學生掌握回路的速度-負載特性，仿真時改變負載F的大小，調節節流口開口系數W，觀察速度v變化規律。

圖1 直動式溢流閥性能仿真實驗

圖2 進油節流調速回路仿真實驗

《液壓傳動系統分析與設計》與《電液控制工程》的教學內容更復雜、抽象，同時涉及電液控制技術， 學生理解和掌握更加困難。仿真實驗主要用于分析系統的靜態和動態性能，如位置伺服控制系統實驗[11]，圖3a為仿真模型，給定液壓泵、液壓缸和伺服閥等相關參數，設置負載和增益值，可以得到活塞的位移、速度隨時間的變化曲線、動態誤差及系統伯德圖，從而可以分析系統的靜、動態特性。增益K值增加時，響應速度加快，動態誤差減小，但會出現振蕩，穩態誤差增加；減小伺服閥固有頻率f時，響應速度變小，動態跟蹤誤差e增大，活塞運動速度波動較大，造成系統不穩定，如圖3b所示。改變伺服閥的阻尼比等參數，可以進一步分析參數對系統性能的影響。

圖3 位置伺服控制系統仿真實驗

仿真實驗，用直觀、定量的數值和可視化的方式來描述系統的工作過程，有利于幫助學生理解元件和系統的工作原理，獲取回路中不同位置的壓力、流量信息以及元件的工作狀態，分析系統的靜、動態性能等，還可以掌握結構參數對系統響應的穩定性、快速性和準確性的影響，便于驗證系統性能，合理進行優化設計，仿真實驗還可以與已有的實物實驗進行相互驗證。

2 AS仿真實驗

AS仿真軟件具有設計和動態仿真功能，可以對液壓系統、電氣控制電路及可編程控制器程序進行虛擬設計、調試、分析、測試等。通過仿真模擬，可以完成復雜液壓系統的設計和實驗，并對方案進行修改和完善[12]。

在《專業設計》實踐環節教學中，采用CDIO項目式教學方法[13-14]，每3個學生為1個組，每組選擇不同的項目，設計過程包括：明確要求與方案論證，系統結構設計，系統仿真與實驗，總結與答辯。與CDIO項目教學的“構思-設計-實施-運作”相對應，其目標就是培養學生綜合運用液壓課程知識、解決復雜液壓工程問題的能力。

學生完成方案論證及系統設計后，在“實施”階段，首先利用AS仿真軟件進行系統的機電液聯合仿真。建立系統仿真模型，對所設計的系統進行可行性分析，調試元件壓力、流量等參數，設計PLC硬件控制線路圖和梯形圖，并運行調試。得到系統在不同工作階段的油液流動動畫圖，執行元件壓力、流量變化曲線等。通過仿真系統調試，可以實現相應的控制功能，驗證回路的正確性，排除故障。

然后，學生根據仿真實驗，利用工業級可拆卸綜合實驗臺，搭建自己所設計的液壓系統裝置(或部分裝置)，注意元件進、出口，檢查回路連接是否正確，根據控制線路仿真模型，完成PLC線路連接。通過現場操作，實現控制功能，對所設計的控制系統進行實驗驗證。仿真實驗與實物實驗相互結合，可以優勢互補，既培養學生使用現代工具實施設計方案的能力，又培養學生的實踐動手能力和調試能力。

以剪叉式液壓升降臺系統設計為例[15]，如圖4所示。圖4a為系統仿真圖，包括機械裝置圖、液壓原理圖、PLC接線圖和梯形圖；圖4b為搭建的部分實物實驗裝置圖。

圖4 剪叉式升降臺液壓系統

3 仿真實驗教學的實施

課程團隊教師將仿真軟件的使用和仿真實驗的內容、要求編寫成仿真實驗指導課件，把每個仿真實驗的操作過程錄制了微課視頻，作為各門課程線上教學資源發布到智慧樹教育平臺，學生可以靈活安排時間在線學習，重復觀看視頻，還可以與教師線上互動、交流，完成仿真實驗及實驗報告，仿真實驗報告與實物實驗報告共同作為實驗成績考核依據。

根據軟件使用授權要求，AS軟件的學習采用集中授課和網絡視頻講解相結合的線上線下混合方式，要求學生在專業設計教室完成項目設計和仿真實驗任務，以現場演示、設計說明書和答辯的形式進行成績考核。

經過多年的教學實踐，學生能夠熟練運用虛擬仿真技術進行液壓系統的設計與分析，并應用于畢業設計中，提高了設計能力、計算機應用能力和實踐能力。部分仿真實例已編入出版的《液壓元件與系統設計》教材中。

4 結論

液壓虛擬仿真實驗是液壓理論知識、工程應用和計算機知識的高度綜合。教學實踐表明，仿真實驗拓展了現有實驗內容的深度和廣度，豐富了實驗教學資源和教學形式，與實物實驗相結合，可以優勢互補，相互驗證。形象化、可視化的仿真實驗效果和分析功能，有利于學生理解抽象的專業知識，培養學生進行實驗設計和現場實驗調試等綜合能力，提高實驗教學質量和教學效果。同時，仿真實驗要求每位學生獨立完成，可以避免實物實驗過程中，部分學生不動手旁觀的現象，充分調動了學生參與實驗的積極性和主動性。