航空航天類機電系統設計及仿真課程實踐式教學探索

付劍 馬浩林 趙江澳 李毓晨 付永領

摘? 要：機電仿真技術在縮短研發周期、減少重復勞動方面有著巨大優勢，近年來已成為復雜系統研發中的重要一環。針對目前傳統機電類課程設計中重理論、輕實踐的問題，該文提出一種以實踐為核心，理論與實踐相融合的教學方式，旨在培養學生的創新設計綜合素質和解決工程實際問題的能力，順應國家在該領域未來發展的人才需求。該文從理論教學與實踐教學設計兩方面進行闡述，并以實際系統為例，著重介紹多平臺聯合仿真實踐的教學案例。上述教學方式，能夠充分鍛煉研究生的創新設計綜合素質和解決工程實際問題的能力，并為后續機電類課程的教學設計提供經驗。

關鍵詞：機電系統；實踐式教學；功率鍵合圖；多學科；聯合仿真

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）30-0032-06

Abstract： Electromechanical simulation technology has great advantages in shortening R&D cycle and reducing duplication of labor， which has become an important method in complex system development. Focusing on the problem of over-emphasizing theory and neglecting practice in traditional course design， a teaching method which takes practice as the core and integrates theory with practice is proposed. The aim is to cultivate students' comprehensive quality of innovative design and the ability to solve practical engineering problems， so as to meet the national demand for talents in the future development of this field. Two aspects of theoretical and practical teaching design are elaborated respectively. Taking the actual system as an example， the teaching case of multi-platform co-simulation practice is emphatically introduced. The above teaching methods can fully enhance comprehensive quality of innovative design and ability on solving practical engineering problems， which provides experience for teaching design of subsequent electromechanical courses.

Keywords： electromechanical system; practical teaching method; bond graph; multidisciplinary; co-simulation

近年來，隨著計算機技術、控制技術與系統工程的發展，涉及多學科交叉的機電專業技術已在航空航天、機械、能源化工、車輛船舶、電子及生物等領域得到了廣泛的應用。據統計，在航空航天領域，機電類產業的產值已占到總產值的20%～30%[1]。機電仿真技術能夠實現對復雜系統的綜合建模仿真、參數推演與分析評估，已成為系統設計研發中至關重要的一環。目前，歐美等國已將系統綜合仿真納入飛機的設計研發流程[2]，波音、空客公司均對在飛機設計研發過程中要求對飛機綜合機電系統進行模擬仿真，以縮短研發周期、減少重復勞動與物理實驗費用。國內很多研發單位雖然已初步建立了仿真研發設計平臺，將系統仿真納入工程研發流程，但對飛機級的復雜大系統的綜合仿真驗證能力還與國外有較大差距，迫切需要機電領域的專業仿真技術人才。因此，為了彌補在該領域的人才缺口，在高校積極開設機電系統設計及仿真課程，培養航空航天背景下機電領域仿真技術人才，對提高我國系統級仿真驗證能力，縮小與歐美等國家在相關領域的差距至關重要。

傳統機電一體化類的設計課程大多以理論為重心，忽略了實際工程設計研發流程中樣機產品研制前的仿真驗證環節[3-4]。導致在課程設計方面缺乏仿真實踐的鍛煉，難以培養學生對機電系統的綜合設計能力[5]。因此，本文針對目前傳統機械大類的機電專業核心課程設計中重理論、輕實踐的問題，依托北京航空航天大學面向研究生開設的機械工程專業的理論核心課程機電系統綜合設計及仿真實踐的教學經驗和精品課程的建設構思，提出一種以理論為基礎，虛擬仿真實踐為主導，理論與實踐相融合，線上與線下相結合的教學方式。旨在培養機電專業的高年級本科生、碩士和博士研究生在機電系統設計方面的實踐能力，順應國家在多學科交叉創新人才培養方面的需求。

一? 機電系統設計及仿真課程介紹

北京航空航天大學機電系統綜合設計及仿真實踐課程，作為一門面向工科研究生開設的專業理論核心課，是機械工程、電子工程、控制工程、電氣工程、計算機科學及信息技術協同組合為一體，多學科高度融合的新興交叉學科課程。教學目標是使學生在掌握扎實的理論知識的基礎上，掌握機電系統相關的建模仿真工具，培養學生面對實際工程技術問題時獨立自主的實踐能力，為研究生畢業后從事機電相關專業工作打下基礎。由于機電領域的學科交叉特性，該課程需要涉及多門學生本科階段已經學習過的課程知識，包括：自動控制理論、測試技術、流體傳動有機電傳動控制等，是一門運用多門學科知識，綜合性較強的課程。

課程內容如圖1所示，分為三部分：緒論、機電系統建模仿真理論與機電系統建模仿真實踐。緒論部分主要闡述機電系統概念，講授機電系統關鍵組成部分、設計流程及應用，為學生形成機電系統的綜合理念。機電系統建模仿真理論部分主要講授鍵合圖（Bond Graph）理論，重點介紹機電系統多學科領域交叉的鍵合圖中信號、能量之間傳遞、轉化的關系，介紹系統建模理論方法，培養學生從客觀對象中提取數學模型的能力。同時，介紹多學科系統仿真平臺與工具，通過由淺入深的實例鍛煉學生仿真平臺、工具的運用能力[6]。機電系統建模仿真綜合實踐部分則以實際工程中的典型案例為牽引，以實踐為核心，充分鍛煉研究生的創新設計綜合素質和解決工程實際問題的能力。教學以培養航空航天及大型裝備系統人才為目標，以保證學科與專業互生、互融、互進為導向，實現學生多學科知識的傳授、創新能力的培養和跨專業綜合素質的塑造。

二? 以實踐為主導的教學模式

傳統機電類課程在實踐教學方面存在不足，多數課程內容理論性強，未針對性地對實踐內容進行設計，導致理論教學與實踐教學脫節，學生僅作為被動接受的一方，缺乏獨立思考和動手實踐的機會，課程知識停留在紙上談兵，難以與實際工程問題進行有機結合，教學效果不佳。因此，針對傳統機電一體化設計課程中偏重理論概念、缺乏實踐鍛煉的問題，提出一種基于機電仿真建模課程的實踐式教學方法，將理論知識與實踐運用相融合，在扎實的理論基礎上，強調培養學生的動手實踐能力，其內容與教學方式如圖2所示。

圖2? 以實踐為主導的課程教學設計

于理論基礎部分，在講授理論知識的同時，以運用仿真工具和平臺為驅動，對學生學習的理論知識進行應用和檢驗，這既能使得學生對基礎理論與系統建模方法有更直觀的理解，同時通過仿真平臺與工具的使用，建立簡單的建模練習，能夠反過來進一步檢驗先前學習的理論知識，形成良性循環。而通過對仿真軟件工具的熟練運用，也為后續的仿真實踐打下基礎。于仿真實踐部分，選取多種實際工程中的典型機電系統[7-8]，如車輛懸掛系統、船用電液復合提升系統、飛機液壓馬達/發電機系統等。采用多工具、多軟件平臺聯合仿真的教學實踐方式，鍛煉學生機電系統綜合建模仿真能力，增強學生的感性認識、鍛煉實踐能力、培養工程素質和激發創新思維。接下來將從機電系統建模理論教學設計與機電系統建模實踐教學設計兩方面展開敘述課程實踐式的教學方式。

（一）? 機電系統建模理論教學設計

1? 鍵合圖理論教學

鍵合圖理論是由美國麻省理工學院的H.M.Paynter教授在1959年提出的，是一種建立在功率流概念的基礎上，描述系統功率的傳輸、轉化、貯存及耗散的圖形化理論方法。借助九個基本多通口元素來準確、清晰地表達出系統模型中要考慮的物理效應，能將真實的物理系統轉化為系統性參數化數學模型，非常適合處理涉及機、電、液、熱力學和控制等多學科交叉領域的復雜系統動態行為的建模與仿真分析。而機電系統就是在機械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引入電子技術，并將機械裝置與電子裝置通過傳感、驅動、實時接口有機結合而構成的系統，是典型的多學科交叉領域的復雜系統。如飛機機電系統，包括液壓系統、環控系統、電源系統、起落架/剎車系統、輔助動力系統（APU）、生命保障系統和彈射救生系統等。基于鍵合圖理論，能夠做到復雜機電液系統統一建模。因為無論是機械系統、電氣系統還是液壓系統，系統組件都可分為儲能場（包括容性元C和慣性元I）和耗能場（阻性元R），它們背后的方程形式是統一的，這種機制保證了機電液系統統一建模以及求解器統一解算。

鍵合圖理論知識的講授不能只停留于書本，需要與實踐相結合。傳統理論知識的講解一般要求學生能夠根據給定的真實系統剝離出物理模型，根據物理模型繪制鍵合圖模型，并建立因果關系。此時學生對于鍵合圖理論的掌握僅僅停留在概念上，缺乏對理論知識更直觀的理解，往往導致學生知道“該如何做”，卻不明白“為什么這樣做”。因此，在此處引入MATLAB-Simulink工具，在鍵合圖的基礎上，通過引導教學，學生學習掌握MATLAB-Simulink工具，在Simulink中建立該系統的框圖，并通過實際仿真來使得學生運用所學知識，并能實踐和檢驗所學知識，從而使得學生對于理論知識的理解立體化，形成良性循環，即學習、實踐、檢驗、再學習。以電機抬升物體的簡單系統為例，如圖3所示，由電源供電的電機帶動線纜輪鼓轉動，從而抬升或降下物體。首先，學生根據理論知識剝離出該系統的物理模型，即系統分為電和機械兩部分，電能通過電機轉化為機械能帶動輪轂轉動，抬升物體。進一步地，電機為回轉器（GY），輪轂為變換器（TF），學生需要根據理論知識，建立系統的功率鍵合圖，并建立因果關系。得到因果關系的鍵合圖后即可提煉出系統微分方程，得到系統框圖。Simulink中具有友好的圖形化用戶交互界面，是典型的基于傳遞函數的建模方式，學生可以直觀地拖動想要的框圖結構，通過簡單的連線和賦予參數即可建立系統模型，并通過設置輸入輸出來進行仿真調試。通過鍵合圖建立系統的Simulink模型，能讓學生對鍵合圖理論的理解更加深入、立體，而模型的仿真結果反過來能夠進一步檢驗鍵合圖理論，并根據參數對鍵合圖進行完善，形成良性循環。

2? 多領域系統仿真平臺教學——AMESim

AMESim是一款多學科領域復雜系統建模仿真平臺，全稱為Advanced Modeling Environment for Simulation of engineering systems，最早由法國Imagine公司與1995年推出，在2007年被比利時LMS公司收購，后于2016年被德國西門子（SIEMENS）公司收購，目前已經歷多次版本更迭。AMESim允許用戶在一個綜合平臺上建立復雜的涉及多學科領域的系統模型，并在模型的基礎上開展仿真、設計、優化和深入分析，強大的多學科領域庫與友好的圖形化人機交互界面使得用戶幾乎可以在AMESim中研究任何元件或系統的穩態、動態性能。目前AMESim是最適合機電液綜合系統的建模的軟件之一。從理論層面，支持多種建模方式，包括鍵合圖、Modelica、框圖等。

如圖4所示，作為多領域、多學科的專業建模仿真平臺，支持機械、流體、熱分析、電磁、控制、能源和車輛等多領域，包含多種庫，如機械機構、動力傳動、液壓元件、氣動設計、熱、電磁、電機和控制信號等庫，內含多達4 500種模型。用戶可以通過圖形化界面實現來自不同物理領域的經過預先定義和驗證的元件搭建目標系統，再根據系統需求的不同，提供復雜程度逐漸增加的多種元件子模型供選擇，無需編寫額外代碼，能夠大大簡化系統模型的搭建流程，提高建模效率。同時，AMESim具有文檔齊全的詳細幫助系統，針對任何陌生元件都可在Help中查詢其具體用法、輸入輸出參數與demo樣例等，使得大部分基礎內容都可通過自學掌握。同時AMESim預留了多種外部接口，如MATLAB-Simulink、ANSYS、Python等接口，支持多軟件聯合仿真，支持模塊級、代碼級二次開發，是集設計、優化一體化的開放平臺。

圖4? 課程引入的多學科仿真平臺

AMESim多學科領域建模仿真平臺非常適合機電液建模仿真教學。軟件操作簡單、易于上手、界面清晰簡潔且人機交互友好，學生在動手實踐的過程中能夠學習了解多領域多學科模型的建立流程，理解不同學科領域能量轉化、傳遞的原理，檢驗先前學習過的多個學科的基礎理論知識，是提升學生實踐能力、培養工程素質的首選。在AMESim的教學過程中，同樣需要通過具體實例讓學生實踐運用，從而熟悉其建模仿真流程。以電液執行機構控制仿真建模為例，給定泵的排量輸入轉速與液壓馬達的排量、液壓管路直徑與長度、溢流閥壓力、負載轉動慣量與油液介質等參數，目標是建立一個簡單的電液傳動系統，并分析其壓力流量特性。學生需要根據授課老師的引導，選擇對應的元件庫，提取其中的元件進行圖形化的草圖建模，再對選擇的元件進行子模型的選取，接下來輸入給定參數，最后進行仿真。通過簡單的電液執行機構控制系統建模使得學生熟悉AMESim仿真的一般流程，為后續實踐教學打下基礎。

（二）? 機電系統建模實踐教學設計——以機載液壓馬達/發電機仿真為例

不同于傳統機電類教學課程，實踐式教學模式強調提升學生的實踐能力、工程素質，培養研究生的創新設計綜合素質和解決工程實際問題的能力。因此在實踐教學設計上，選用多種真實存在的典型機電液系統，如車輛懸掛系統、船用電液復合提升系統和飛機液壓馬達/發電機等，由學生兩人一組自由組隊，以興趣為導向，以先前學習的鍵合圖理論為基礎，通過AMESim與Simulink多平臺聯合仿真的方式，對目標系統進行建模實踐。本文將以機載液壓馬達/發電機為例，闡述實踐教學的流程。

1? 航空機載液壓馬達發電機簡介

航空機載液壓馬達發電機是飛機多余度供電系統中的重要組成部分。當第一余度的主發電機停車且第二余度的輔助動力裝置（APU）完全失效時，處于第三余度的空氣沖壓渦輪（RAT）啟動，憑借飛機前進時的高速氣流帶動渦輪轉動，轉動的渦輪驅動應急液壓泵工作，向機載液壓馬達發電機提供壓力輸入，機載液壓馬達發電機輸出電壓向飛機供電。如圖5所示，為波音B757/B767上所采用的液壓馬達發電機，其包含伺服控制、變排量的液壓馬達并集成了三相無刷直流電機。設計輸入壓力為200 bar，輸出270 V直流電壓。

2? 機載液壓馬達/發電機系統仿真實踐教學設計

在仿真實踐教學上，需要以任務為引導，提供系統的輸入、輸出目標及中間必要環節參數，給予學生充分的自由發揮空間。設置多個目標，由淺入深，難度逐步遞增，引導學生依次建立系統鍵合圖、Simulink框圖、AMESim模型和最終的AMESim/Simulink多平臺聯合仿真模型。遵循實際工程設計仿真研發流程，讓學生逐步完成對整個系統模型的建立與仿真，既能檢驗學生對基礎理論知識的理解、對工程系統的分析，還能充分鍛煉學生分工協作、團隊交流的能力。

首先，學生需要根據學習的基礎理論知識，對機載液壓馬達/發電機進行系統剖析，系統包括液壓（Hydraulic）、電機（Motor）、發電機（Generator）和電力（Electric）四個領域，從提取出的物理模型中建立系統的功率鍵合圖，并梳理因果關系，例如：系統輸入壓力來自空氣沖壓渦輪（RAT）驅動的液壓泵，以勢源表示；考慮管路液阻效應，以0結點連接阻性元R，系統變排量液壓馬達為變換器MTF，其排量可變，因此變換器因數也可變；考慮液壓馬達轉子轉動慣量與馬達粘性摩擦，以1結點連接慣性元與阻性元。為了使因果圖不矛盾，在發電機與馬達之間添加0結點，考慮彈性變形，添加容性元。發電機為回轉器GY，由馬達輸入的轉動，此處考慮發電機轉子轉動慣量，以1結點連接慣性元；輸出電壓，考慮繞組電阻與電感，以1結點連接，如圖6所示。

在建立功率鍵合圖的基礎上，搭建系統的Simulink框圖，由于飛機飛行速度不定，空氣沖壓渦輪（RAT）輸入的壓力也會產生波動，因此需要設計閉環控制系統，調節液壓馬達/發電機的可變排量，來保證輸出電壓的穩定。此處學生可以根據建立的框圖分別仿真系統的開環和閉環特性，對比分析其不同，而針對閉環系統，可以引導學生在輸入壓力、負載上分別添加擾動，來驗證系統的反饋調節能力，根據仿真結果進一步改進模型，提升系統的魯棒性。接下來學生需要建立系統的AMESim模型。在理論教學部分，學生已經初步熟悉了AMESim仿真平臺的運用，此時學生只需在圖形化的界面中，選擇相應的元件進行連接，定義其子模型，賦予參數即可。相比Simulink框圖，AMESim更加直觀和易于理解，同樣的，學生可以在輸入壓力和負載電阻上施加擾動，來檢驗閉環控制系統的調節能力，并與Simulink模型的結果進行對比。如圖7所示，為系統的Simulink框圖與AMESim模型。

在分別建立Simulink框圖與AMESim模型后，最后引導學生利用AMESim中預留的Simulink軟件接口，實現多平臺的聯合仿真。聯合仿真能充分發揮多學科交叉優勢，在工程中能最大效率地協同各學科及各領域工程師，發揮單一領域學科及軟件仿真的優勢。AMESim基于物理模型建立，系統直觀立體，但精度方面不高，而MATLAB-Simulink基于數學模型，精度更高，控制更加精確。以本課程為例，在AMESim中建立飛機液壓馬達的系統級模型會更加直觀容易，而Simulink在控制開發方面更加專業，用于建立系統的反饋調節控制效果更好。二者聯合仿真，能夠充分發揮各自的優勢，即控制系統與機電系統的集成，如圖8所示。通過AMESim-Simulink聯合仿真，學生能充分感受到多學科、多領域交叉模型仿真的優勢，培養學生的多學科交叉意識、開拓工程思維與多維度視野，實現學生多學科知識的傳授、創新能力的培養和跨專業綜合素質的塑造。

三? 結束語

本文針對目前傳統機電類課程設計中重理論、輕實踐的問題，依托北京航空航天大學面向研究生開設的機電系統綜合設計及仿真實踐課程的教學經驗，提出一種以實踐為核心，理論與實踐相融合的教學方式。介紹了課程的主要內容，并從機電系統建模理論教學設計與實踐教學設計兩方面闡述了課程以實踐為核心的教學模式，并以機載液壓馬達/發電機系統為例，著重介紹了西門子多學科仿真平臺AMESim和MATLAB-Simulink控制仿真平臺的聯合仿真實踐教學案例。通過上述理論與實踐相融合的教學方式，能夠充分鍛煉研究生的創新設計綜合素質和解決工程實際問題的能力，實現學生多學科知識的傳授、創新能力的培養和跨專業綜合素質的塑造。

參考文獻：

[1] 郭鵬.民用航空機電系統的現狀與發展探析[J].機電信息，2019（15）：153-154.

[2] 段卓毅，田永堂.基于模型的飛機機電系統研發流程淺析[N].中國航空報，2015-08-11（S03）.

[3] 黃峰，傅陽，吳瑞明.基于Simulink的機電控制課程建模與仿真教學探索[J].南方農機，2021，52（22）：172-175.

[4] 宋曉娟，呂書鋒，何曉東，等.機電系統仿真教學改革及教學模式的探討[J].教育教學論壇，2020（37）：158-159.

[5] 郭龍川.仿真教學設計在機電傳動與控制課程中的應用[J].教育現代化，2018，5（14）：157-159.

[6] 趙晉芳，劉長江，趙卓.仿真技術在機電類課程教學中的應用研究[J].黑龍江科技信息，2016（28）：32.

[7] CHASIOTIS I D， KARNAVAS Y L. A computer aided educational tool for design， modeling， and performance analysis of Brushless DC motor in post graduate degree courses[J]. Computer Applications in Engineering Education， 2018，26（4）：749-767.

[8] 張銀君，陳夢吉.虛擬仿真在機電類教學中的應用[C]//《教師教學能力發展研究》科研成果集（第十三卷），２０１８：503-507.

基金項目：中國航空科學基金項目“電驅動水平安定面作動系統研究”（ASFC-20200007051001）；中央高校基本科研業務費專項資金項目“機電伺服系統優化設計方法研究”（100062022912）；北京航空航天大學2021年研究生精品課程建設項目“機電系統綜合設計及仿真實踐”（07113107）

第一作者簡介：付劍（1985-），男，漢族，湖北鄂州人，博士，副教授，博士研究生導師。研究方向為復雜機電系統建模理論、機電一體化設計及優化、航空航天驅動傳動與伺服控制。

*通信作者：趙江澳（1990-），男，漢族，河北石家莊人，博士，副教授。研究方向為機電液驅動與傳動、高端液壓元件設計與控制策略。