“機電一體化系統仿真”課程思政的教學探索*

倪修華 徐堯天 付斌 王濤

1. 上海應用技術大學 上海 201418；2. 上海無線電設備研究所 上海 201109；3. 上海航天電子通訊設備研究所 上海 201109

引言

習近平總書記在2016年12月7日至8日召開的全國高校思想政治工作會議上指出：“要用好課堂教學這個主渠道，思想政治理論課要堅持在改進中加強，提升思想政治教育親和力和針對性，滿足學生成長發展需求和期待，其他各門課都要守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應。”[1]。

“機電一體化系統仿真”的課堂目標是要求學生掌握Matlab常用的繪圖命令和程序設計方法。通過機械專業涉及的學科仿真軟件對比、整體與細節思維的融入和事物的多角度思維融入3個方面將思政元素融入課程當中。

1 機械專業涉及的設計仿真軟件對比

工業實際應用的機械產品通常需要考慮多體運動及動力學、彈性體靜力學及動力學、流體力學、機電控制系統特性等多方面的特性，通常需要借助仿真工具進行仿真分析。以下就機械專業學生所涉及的常用設計仿真工具進行對比分析，一方面為了豐富學生的知識面，培養全局性思維；另一個方面通過對比分析，了解國產化自主可控軟件的現狀。

目前主流的機械三維建模軟件有法國達索公司的CATIA和Solidworks軟件、美國PTC公司的CREO軟件、德國西門子公司的UG和SOLIDEDGE軟件，以及國內廣州中望龍騰軟件股份有限公司的中望3D軟件、數碼大方（CAXA）的3D軟件。整體而言，歐美國家的三維建模軟件占據了絕大部分市場份額，但國內的中望3D軟件在中國核電、恒大地產、海馬汽車、海爾等有所應用，數碼大方（CAXA）的3D軟件在華為、福田汽車、珠海格力、東風汽車等公司也有所應用。本溪市化學工業學校將CAXA軟件作為“機械零件課程設計”的3D建模和2D繪圖軟件[2]。

多體運動及動力學仿真是以“機械原理”和“理論力學”兩門課程為理論基礎，目前使用的主流仿真軟件有瑞典海克思康公司的（曾為美國MSC公司，后被收購）ADAMS軟件、法國達索公司的SIMPACK軟件和韓國Function Bay公司RECRUDYN軟件，國內自主研發軟件未見報道。

彈性體靜力學及動力學仿真以“材料力學”為理論基礎，采用的方法多為有限單元法，目前使用的主流的仿真軟件是美國ANSYS公司的Ansys Mechanical、法國達索公司的ABAQUS和瑞典海克思康公司的（曾為美國MSC公司，后被收購）Nastran軟件，以及國內的安世亞太公司的PERA SIM. Mech軟件、廣州中望龍騰軟件股份有限公司的中望結構仿真軟件等。國內自主研發的仿真軟件除了安世亞太的PERA SIM. Mech軟件在國防軍工領域有所應用之外，其他軟件的應用鮮有報道。

流體力學仿真以“流體力學”課程為基礎，目前使用的主流仿真軟件有美國ANSYS公司的Fluent軟件、美國ANSYS公司的CFX軟件以及國內安世亞太公司的PERA SIM. Fluid軟件，與彈性體靜力學及動力學仿真軟件類似，流體力學仿真軟件市場幾乎被國外大公司所壟斷，自主研發的PERA SIM. Fluid軟件，也只有在戰斗機外流場分析和導彈氣動計算等軍工國防領域有相關應用報道。

機電控制系統特性仿真分析是將機械、控制、傳感等多個模塊組合成一個整體進行仿真，工具軟件主要有美國Mathwoks公司的Matlab軟件、西門子公司的LMS AMESim軟件和瑞典海克思康公司的（曾為美國MSC公司，后被收購）Easy5軟件，國內未發現有自主開發的相關軟件。2020年5月22日，美國商務部工業與安全局以國家安全或外交政策利益為由，把33家中國科技公司和機構、高校等拉進清單，清單上的單位將不得使用Matlab軟件。

從以上的對比分析可以看出，機械相關的自主研發軟件當中，除少量的三維建模軟件能夠在國內市場占有少量份額之外，其他行業或是沒有自主研發軟件，或是應用客戶十分稀少。在授課過程中，向學生傳遞國產軟件的自主可控可以防止關鍵時刻被他人“卡脖子”的觀點。除了軟件自身能力水平以外，還有一個重要的問題是軟件的生態問題，這與華為鴻蒙系統類似。目前，高校用于教學的機械相關設計仿真軟件也是以國外軟件為主導。這方面可以通過國家工業主管部門、教育部門和相關企業進行聯合，出臺相應的扶持政策，對高校教學過程中使用自主可控軟件的應予以政策傾斜支持。如此一方面提高軟件的知名度和用戶群體，另一方面學生畢業走向工作崗位后也是國產軟件的潛在用戶，此外還可以培養學生的家國情懷。

2 整體與細節思維及工匠精神的融入

仿真的置信度問題是仿真工程師所需要解決的關鍵問題。對同一個問題，受限于不同工程師的認知水平、仿真的簡化設置等因素，得到的結果可能大相徑庭。所以盡管仿真經過幾十年的發展得到了長足的進步，但仿真仍然還不能達到替代實驗的地步，但減少了試驗次數和迭代周期。

以一個印制板及其安裝盒體組成的組件為例，說明系統的模態仿真流程，如圖 1所示。

圖1 PCB板的動力學仿真流程

具體的仿真驗證流程如下：①進行印制板裸板的仿真驗證。印制板在焊裝器件之前，是由多層基板及基板之間的覆銅層所組成，其難點在于覆銅層的質量及其分布假設。需要通過模態實驗實測修正參數，以使仿真誤差在允許接受的范圍之內。②進行焊裝完元器件后印制板的仿真驗證。其難點在于元器件與印制板之間連接關系的設置，以及數量多而質量小的元器件質量分布設置。需要通過模態實驗實測修正參數，以使仿真誤差在允許接受的范圍之內。③進行印制板與安裝盒體的連接仿真驗證。對印制板與安裝盒體之間的安裝螺釘連接進行簡化設置，并通過實驗驗證修改仿真模型，以使仿真誤差在允許接受的范圍之內。

只有經過以上3步的逐步仿真和驗證確認，才可以保證仿真的誤差在可接受的范圍之內。引入印制板及其安裝盒體的模態仿真流程的例子，旨在傳遞整體與細節的思維，以及每一個細節都認真對待的工匠精神。

3 事物的多角度思維融入

在“機電一體化系統仿真”課程中，控制系統的穩定性是非常重要的概念。控制系統穩定性是指控制系統在外部擾動作用下偏離其原來的平衡狀態，當擾動作用消失后，系統仍能自動恢復到原來的初始平衡狀態，則稱系統是穩定的，否則稱系統是不穩定的[3]。以某一系統兩種穩定性判定方法的應用以及系統在階躍作用下的響應情況進行說明。

某單位負反饋系統的開環傳遞函數表達式如式(1)所示。

利用Matlab軟件求解可以得到其閉環特征方程的3個根分別為－6.7660、－0.6170+2.5040i和－0.6170－2.5040i。由于特征方程的根全部具有負實部，因為可以判定系統是穩定的。

利用Matlab軟件繪制該系統開環傳遞函數的Bode圖，如圖2所示。由圖可知，該系統的幅值裕度為8.52dB，相位裕度為29.8°，該系統具有正的幅值裕度和相位裕度，因此可以判定該系統是穩定的。

圖2 系統的開環Bode圖

系統在單位階躍下的響應如圖3所示。由圖可知，系統在輸入的擾動作用下，系統總體是振蕩收斂的，經過一段時間以后可以逐漸穩定在某一狀態。根據穩定性的定義可知，該系統是穩定的。

圖3 系統的單位階躍響應圖

從閉環特征方程的根、開環傳遞函數的幅值裕度和相位裕度以及系統的單位階躍響應3個方面來看，系統都是穩定的。通過本案例融入說明一個事物的本質存在多個表象的哲學思維。

4 結束語

對“機電一體化系統仿真”課程的思政元素融入從3個方面進行了探索。首先結合當下中興、華為被制裁的時政熱點，對機械專業涉及的設計仿真軟件對比，說明自主研發的機械相關設計仿真軟件現狀，融入了家國情懷的思政元素，同時也培養了學生的全局觀；結合印制板及其安裝盒體的模態仿真流程，融入整體與細節思維及工匠精神的思政元素；結合控制系統穩定的定義及判定方法，融入事物的多角度思維的思政元素。以上教學探索方法對于“機電一體化系統仿真”課程的思政建設具有一定的效果，對于其他課程的思政建設也具有一定的借鑒意義。