ADAMS—MATLAB聯合仿真在“機電一體化技術基礎”課程教學改革中的應用

摘 要：傳統“機電一體化技術基礎”課程教學存在多學科融合理解不足、實踐支撐薄弱等問題。本文提出將ADAMS—MATLAB聯合仿真技術引入課程改革，通過雷達機構建模與機電仿真實例，直觀呈現機械與控制系統的動態交互，強化學生對理論知識的工程化認知。研究驗證了該模式在提升學習自主性、增強實踐應用能力方面的顯著效果，并揭示了其在優化教學設計、促進產教融合中的潛力。未來可進一步探索跨平臺仿真資源整合及多場景教學案例開發，以深化技術賦能教育的創新路徑。

關鍵詞：聯合仿真；機電一體化；雷達系統；課程教學

中圖分類號：TH122

1 概述

機電一體化是機械技術在發展過程中，吸收融入了微電子技術與計算機技術而逐步形成并完善的一門新興的融合型學科，是新工科專業課程體系建設中不可或缺的構成元素［13］。機電一體化相關技術的廣泛使用一方面提升了機電結合產品的機能，另一方面徹底改變了傳統機械工業的技術體系、運作方式及管理模式，有力地提升了可生產系統的工作效率與質量。在此背景下，眾多高等院校機械類專業及近機專業都陸續開設了“機電一體化技術基礎”這門課程［56］，馬鞍山學院也在相關專業教學培養計劃的第8學期設置了該門課程。該課程將前期先修的傳感檢測技術、自動控制原理、機械設計、伺服驅動及計算機技術等通過系統總體技術有機地融合在一起，形成一門不斷交叉滲透的密集型工程技術體系。該課程注重從整體概念組織，將機械、電氣等系統整合為一個綜合體，即從全局角度和系統工程目標出發，去讓學生掌握通用機電產品的設計特點，學習一般機電產品的構思方法、設計理論與技術，從學習機電結合產品的設計實例中鍛煉學生的創造思維能力以及開發全新機電產品的能力［7］。

1.1 “機電一體化技術基礎”課程特點分析

“機電一體化技術基礎”作為一門集成性的、系統性的課程，主要具備以下4個特點。

（1）跨學科知識覆蓋面廣。該課程是一門專業性、綜合性較強的課程，包括機械系統、傳感器檢測、控制理論、電力電子、伺服驅動等專業課程的理論知識。

（2）依賴先修課程基礎。不僅要求學生對已經修習過的相關基礎知識掌握較牢固，更需要學生能全面掌握機電一體化技術所需的理論知識，以便于能從系統層面上認識機電產品。

（3）強調創新實踐。“機電一體化技術基礎”課程兼顧理論知識學習的同時，更加強調鍛煉學生在實踐中設計開發的運用能力，在對典型機電產品特性研習的基礎上，著重培養學生開發全新機電產品的能力。

（4）強調整體系統設計。在課程教學中不僅涉及各個單元性技術，如精密機械技術、伺服驅動技術、傳感檢測技術等，更是本著機電一體化系統設計和生產時能夠合理運用的原則，從工程系統的角度出發，達成機電產品的最優設計。

1.2 “機電一體化技術基礎”課程教學中存在的問題

（1）先修知識薄弱。課程需要先修科目支撐，要求學生構建機電技術理論體系，學習難度較高。學生若對機械原理、電氣理論、PID控制等任一先修學科掌握不足，易產生抵觸情緒，影響教學進程。

（2）教學手段單一。授課以課堂講授為主，教師單向灌輸理論，學生被動接受枯燥內容，教學反饋不足，加劇學生的抵觸心理，制約教學質量。

（3）實踐環節薄弱。課程雖引入典型實例以結合理論與實踐，但因實驗室經費、設備及資源不足，實踐條件欠缺，難以達成能力培養目標。

2 “機電一體化技術基礎”課程教學改進措施

為激發學生對機電一體化相關技術學習的興趣，同時為彌補“機電一體化技術基礎”課程教學中實踐性環節對理論知識學習的支撐力度不足。本課程采用多種教學方式相結合的模式，不僅借助多媒體、視頻動畫等形式，更在理論課堂教學中穿插引入ADAMS—MATLAB聯合仿真分析，通過虛擬樣機技術將機電一體化典型設計案例完整地、漸進性地生動展現出來，讓學生在課堂教學中就能接觸到機電產品是如何設計出來。本文通過教學實例來闡述如何在“機電一體化技術基礎”課程教學中引入ADAMS—MATLAB聯合仿真分析［810］。

2.1 ADAMS—MATLAB聯合仿真簡介

應用ADAMS動力學仿真軟件的Controls模塊可將創建的機械系統模型與MATLAB軟件編寫的控制程序有機地接合在一起，從而實現機電系統的聯合仿真分析。這種聯合仿真分析的方式有利于機械和控制工程師在建立的同一個樣機模型上進行反復的聯合設計與調試，直至獲取最優的機電產品，大大提升了后續物理樣機的建造效率。使用ADAMS_Controls模塊與MATLAB控制程序分析軟件完成聯合仿真分析主要包含4個基本過程。

（1）構建ADAMS動力學軟件的機械系統樣機模型。采用ADAMS_Controls模塊進行機電系統聯合仿真分析前，需要在ADAMS_View軟件環境內構建機械系統樣機模型，也可以向ADAMS_View軟件環境內導入已經構建完畢的機械系統樣機模型。

（2）確認ADAMS的輸入和輸出變量。通過ADAMS_View或者ADAMS_Solver中的信息載體文件確認進入控制程序的輸入和輸出變量，即輸出為從ADAMS_Controls輸出到MATLAB控制程序軟件的變量，輸入為從MATLAB控制程序軟件返回到ADAMS的變量。

（3）構造MATLAB控制系統方框圖。運用MATLAB_Simulink控制程序模塊編寫整個機電系統的控制程序，其中ADAMS_View內的機械系統樣機模型被放置到控制程序圖中的一個子模塊中。

（4）進行機電系統聯合仿真分析。設置仿真參數，對機電系統的機械系統和控制系統進行聯合仿真分析，保存并輸出聯合仿真結果。

2.2 機電聯合仿真分析教學運用實例

傳統的教學模式為教師依照教材中指定的內容按部就班地傳授知識點，這種傳統教學模式空洞乏味，學生很難提起學習興趣。在課堂教學中通過ADAMS_View軟件構建一個機械系統樣機模型，然后通過MATLAB程序控制軟件構造控制系統模型，最后通過ADAMS—MATLAB聯合仿真分析向學生實時展示機械系統在執行控制程序過程的運動情況。這種引入ADAMS—MATLAB聯合仿真分析教學模式極大地提升了學生的學習自主性，提高了本課程的教學質量。以“機電一體化技術基礎”課程教學中雷達系統為例，探討分析ADAMS—MATLAB聯合仿真在課程內容教學中的具體應用。

3 教學應用實例——雷達系統

3.1 構造雷達機械系統樣機模型

首先，通過ADAMS_View模塊建構了如圖1所示的雷達機械系統樣機模型。雷達機構主要由方位旋轉馬達、方位減速齒輪、方位圓盤、天線支撐桿、仰角軸承及天線等構件組成，各構件之間通過低副連接。其次，對構建的雷達機械系統進行運動學仿真分析，并在課堂教學中向學生演示雷達系統運動仿真動畫和結果，使學生熟悉雷達系統工作情況。最后，確認雷達機械系統建模完全正確以后，解除原有已設置的雷達系統方位角運動，以便于后續向雷達系統添加控制系統。

3.2 確定ADAMS的輸入和輸出變量

雷達模型機械系統和控制系統的輸入和輸出之間滿足如圖2所示的流程關系。從圖2可知，向雷達的機械系統輸入一個控制力矩（control_torque）變量，則雷達的機械系統向控制系統輸出天線仰角的方位角（azimuth_position）和馬達轉速（rotor_velocity）兩個變量。

在驗證雷達機械系統樣機模型輸入和輸出變量無誤后，在ADAMS_Controls模塊中定義輸入和輸出變量，并在目標軟件選項中選擇聯合仿真分析的控制程序軟件MATLAB。將已經定義好的ADAMS_Controls輸入和輸出變量信息存儲在M（MATLAB）文件中，以供后續聯合仿真時使用。

3.3 雷達控制系統建模

在構造好的雷達機械系統中添加控制系統，完成雷達控制系統建模，建模具體步驟如下。

首先，啟動MATLAB控制程序軟件，并查看檢驗雷達機械系統的輸入和輸出變量是否成功定義。其次，輸入ADAMS_sys指令，查看adams_sub子模塊，并修改子模塊仿真參數。最后，建立控制系統模型，創建一個新Simulink模塊，根據雷達系統具體的控制要求選擇相關控制程序圖形模塊，完成控制系統模型搭建。雷達控制系統如圖3所示。

3.4 雷達系統聯合仿真分析

所創建的雷達系統聯合仿真模型在MATLAB_Simulink環境下進行仿真，采用龍格庫塔法，將聯合仿真時間設定為025s，聯合仿真類型選擇參數Variablestep，求解器選定參數ode45（DormandPrince），完成雷達系統控制程序聯合仿真參數設置。執行雷達系統聯合仿真，MATLAB將控制輸入信息發送至ADAMS，雷達系統產生相應運動。同時ADAMS向MATLAB傳輸天線仰角的方位角（azimuth_position）和馬達轉速（rotor_veloctiy）兩個變量的實時變化信息值。通過這種信息傳遞的方式，實現雷達的機械系統和控制系統的閉環控制。

雷達系統運行過程中，天線仰角的方位角（azimuth_position）變化情況如圖4所示，馬達轉速（rotor_veloctiy）變化情況如圖5所示。

結語

“機電一體化技術基礎”是一門多學科融合的專業技術課，教學內容繁雜，對機械系統、控制系統等基礎理論理解要求較高，且更偏向于二者的聯合分析，對部分學生而言晦澀深奧。因此，如何提升課堂教學效果及能夠更好地應用于工程實踐是授課教師亟須解決的問題。在“機電一體化技術基礎”課程教學中引入ADAMS—MATLAB聯合仿真，可以使抽象復雜的機電控制理論知識圖形化、清晰化、明確化，極大地增加了學生的學習熱情，提高了教學質量，使教學過程更具互動性和新穎性，真正做到了理論知識應用于工程實踐的教學目的。

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基金項目：基于智能制造導向下機械制圖虛擬仿真實踐基地建設（項目編號：241105377280656）；9%Cr鋼固態相變演化機理及殘余應力量化表征與控制技術研究（項目編號：2024AH051786）

作者簡介：李慶萍（1997— ），女，漢族，安徽安慶人，碩士研究生，助教，研究方向：機電控制。