ADAMS—MATLAB聯(lián)合仿真在“機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革中的應(yīng)用

摘 要：傳統(tǒng)“機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)存在多學(xué)科融合理解不足、實(shí)踐支撐薄弱等問題。本文提出將ADAMS—MATLAB聯(lián)合仿真技術(shù)引入課程改革，通過雷達(dá)機(jī)構(gòu)建模與機(jī)電仿真實(shí)例，直觀呈現(xiàn)機(jī)械與控制系統(tǒng)的動態(tài)交互，強(qiáng)化學(xué)生對理論知識的工程化認(rèn)知。研究驗(yàn)證了該模式在提升學(xué)習(xí)自主性、增強(qiáng)實(shí)踐應(yīng)用能力方面的顯著效果，并揭示了其在優(yōu)化教學(xué)設(shè)計、促進(jìn)產(chǎn)教融合中的潛力。未來可進(jìn)一步探索跨平臺仿真資源整合及多場景教學(xué)案例開發(fā)，以深化技術(shù)賦能教育的創(chuàng)新路徑。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合仿真；機(jī)電一體化；雷達(dá)系統(tǒng)；課程教學(xué)

中圖分類號：TH122

1 概述

機(jī)電一體化是機(jī)械技術(shù)在發(fā)展過程中，吸收融入了微電子技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)而逐步形成并完善的一門新興的融合型學(xué)科，是新工科專業(yè)課程體系建設(shè)中不可或缺的構(gòu)成元素［13］。機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù)的廣泛使用一方面提升了機(jī)電結(jié)合產(chǎn)品的機(jī)能，另一方面徹底改變了傳統(tǒng)機(jī)械工業(yè)的技術(shù)體系、運(yùn)作方式及管理模式，有力地提升了可生產(chǎn)系統(tǒng)的工作效率與質(zhì)量。在此背景下，眾多高等院校機(jī)械類專業(yè)及近機(jī)專業(yè)都陸續(xù)開設(shè)了“機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”這門課程［56］，馬鞍山學(xué)院也在相關(guān)專業(yè)教學(xué)培養(yǎng)計劃的第8學(xué)期設(shè)置了該門課程。該課程將前期先修的傳感檢測技術(shù)、自動控制原理、機(jī)械設(shè)計、伺服驅(qū)動及計算機(jī)技術(shù)等通過系統(tǒng)總體技術(shù)有機(jī)地融合在一起，形成一門不斷交叉滲透的密集型工程技術(shù)體系。該課程注重從整體概念組織，將機(jī)械、電氣等系統(tǒng)整合為一個綜合體，即從全局角度和系統(tǒng)工程目標(biāo)出發(fā)，去讓學(xué)生掌握通用機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計特點(diǎn)，學(xué)習(xí)一般機(jī)電產(chǎn)品的構(gòu)思方法、設(shè)計理論與技術(shù)，從學(xué)習(xí)機(jī)電結(jié)合產(chǎn)品的設(shè)計實(shí)例中鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造思維能力以及開發(fā)全新機(jī)電產(chǎn)品的能力［7］。

1.1 “機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”課程特點(diǎn)分析

“機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”作為一門集成性的、系統(tǒng)性的課程，主要具備以下4個特點(diǎn)。

（1）跨學(xué)科知識覆蓋面廣。該課程是一門專業(yè)性、綜合性較強(qiáng)的課程，包括機(jī)械系統(tǒng)、傳感器檢測、控制理論、電力電子、伺服驅(qū)動等專業(yè)課程的理論知識。

（2）依賴先修課程基礎(chǔ)。不僅要求學(xué)生對已經(jīng)修習(xí)過的相關(guān)基礎(chǔ)知識掌握較牢固，更需要學(xué)生能全面掌握機(jī)電一體化技術(shù)所需的理論知識，以便于能從系統(tǒng)層面上認(rèn)識機(jī)電產(chǎn)品。

（3）強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新實(shí)踐?！皺C(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”課程兼顧理論知識學(xué)習(xí)的同時，更加強(qiáng)調(diào)鍛煉學(xué)生在實(shí)踐中設(shè)計開發(fā)的運(yùn)用能力，在對典型機(jī)電產(chǎn)品特性研習(xí)的基礎(chǔ)上，著重培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)全新機(jī)電產(chǎn)品的能力。

（4）強(qiáng)調(diào)整體系統(tǒng)設(shè)計。在課程教學(xué)中不僅涉及各個單元性技術(shù)，如精密機(jī)械技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、傳感檢測技術(shù)等，更是本著機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計和生產(chǎn)時能夠合理運(yùn)用的原則，從工程系統(tǒng)的角度出發(fā)，達(dá)成機(jī)電產(chǎn)品的最優(yōu)設(shè)計。

1.2 “機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)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(xué)生構(gòu)建機(jī)電技術(shù)理論體系，學(xué)習(xí)難度較高。學(xué)生若對機(jī)械原理、電氣理論、PID控制等任一先修學(xué)科掌握不足，易產(chǎn)生抵觸情緒，影響教學(xué)進(jìn)程。

（2）教學(xué)手段單一。授課以課堂講授為主，教師單向灌輸理論，學(xué)生被動接受枯燥內(nèi)容，教學(xué)反饋不足，加劇學(xué)生的抵觸心理，制約教學(xué)質(zhì)量。

（3）實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱。課程雖引入典型實(shí)例以結(jié)合理論與實(shí)踐，但因?qū)嶒?yàn)室經(jīng)費(fèi)、設(shè)備及資源不足，實(shí)踐條件欠缺，難以達(dá)成能力培養(yǎng)目標(biāo)。

2 “機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)改進(jìn)措施

為激發(fā)學(xué)生對機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù)學(xué)習(xí)的興趣，同時為彌補(bǔ)“機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中實(shí)踐性環(huán)節(jié)對理論知識學(xué)習(xí)的支撐力度不足。本課程采用多種教學(xué)方式相結(jié)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(xué)中穿插引入ADAMS—MATLAB聯(lián)合仿真分析，通過虛擬樣機(jī)技術(shù)將機(jī)電一體化典型設(shè)計案例完整地、漸進(jìn)性地生動展現(xiàn)出來，讓學(xué)生在課堂教學(xué)中就能接觸到機(jī)電產(chǎn)品是如何設(shè)計出來。本文通過教學(xué)實(shí)例來闡述如何在“機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中引入ADAMS—MATLAB聯(lián)合仿真分析［810］。

2.1 ADAMS—MATLAB聯(lián)合仿真簡介

應(yīng)用ADAMS動力學(xué)仿真軟件的Controls模塊可將創(chuàng)建的機(jī)械系統(tǒng)模型與MATLAB軟件編寫的控制程序有機(jī)地接合在一起，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)的聯(lián)合仿真分析。這種聯(lián)合仿真分析的方式有利于機(jī)械和控制工程師在建立的同一個樣機(jī)模型上進(jìn)行反復(fù)的聯(lián)合設(shè)計與調(diào)試，直至獲取最優(yōu)的機(jī)電產(chǎn)品，大大提升了后續(xù)物理樣機(jī)的建造效率。使用ADAMS_Controls模塊與MATLAB控制程序分析軟件完成聯(lián)合仿真分析主要包含4個基本過程。

（1）構(gòu)建ADAMS動力學(xué)軟件的機(jī)械系統(tǒng)樣機(jī)模型。采用ADAMS_Controls模塊進(jìn)行機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析前，需要在ADAMS_View軟件環(huán)境內(nèi)構(gòu)建機(jī)械系統(tǒng)樣機(jī)模型，也可以向ADAMS_View軟件環(huán)境內(nèi)導(dǎo)入已經(jīng)構(gòu)建完畢的機(jī)械系統(tǒng)樣機(jī)模型。

（2）確認(rèn)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(rèn)進(jìn)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(gòu)造MATLAB控制系統(tǒng)方框圖。運(yùn)用MATLAB_Simulink控制程序模塊編寫整個機(jī)電系統(tǒng)的控制程序，其中ADAMS_View內(nèi)的機(jī)械系統(tǒng)樣機(jī)模型被放置到控制程序圖中的一個子模塊中。

（4）進(jìn)行機(jī)電系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析。設(shè)置仿真參數(shù)，對機(jī)電系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，保存并輸出聯(lián)合仿真結(jié)果。

2.2 機(jī)電聯(lián)合仿真分析教學(xué)運(yùn)用實(shí)例

傳統(tǒng)的教學(xué)模式為教師依照教材中指定的內(nèi)容按部就班地傳授知識點(diǎn)，這種傳統(tǒng)教學(xué)模式空洞乏味，學(xué)生很難提起學(xué)習(xí)興趣。在課堂教學(xué)中通過ADAMS_View軟件構(gòu)建一個機(jī)械系統(tǒng)樣機(jī)模型，然后通過MATLAB程序控制軟件構(gòu)造控制系統(tǒng)模型，最后通過ADAMS—MATLAB聯(lián)合仿真分析向?qū)W生實(shí)時展示機(jī)械系統(tǒng)在執(zhí)行控制程序過程的運(yùn)動情況。這種引入ADAMS—MATLAB聯(lián)合仿真分析教學(xué)模式極大地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，提高了本課程的教學(xué)質(zhì)量。以“機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中雷達(dá)系統(tǒng)為例，探討分析ADAMS—MATLAB聯(lián)合仿真在課程內(nèi)容教學(xué)中的具體應(yīng)用。

3 教學(xué)應(yīng)用實(shí)例——雷達(dá)系統(tǒng)

3.1 構(gòu)造雷達(dá)機(jī)械系統(tǒng)樣機(jī)模型

首先，通過ADAMS_View模塊建構(gòu)了如圖1所示的雷達(dá)機(jī)械系統(tǒng)樣機(jī)模型。雷達(dá)機(jī)構(gòu)主要由方位旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、方位減速齒輪、方位圓盤、天線支撐桿、仰角軸承及天線等構(gòu)件組成，各構(gòu)件之間通過低副連接。其次，對構(gòu)建的雷達(dá)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析，并在課堂教學(xué)中向?qū)W生演示雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)動仿真動畫和結(jié)果，使學(xué)生熟悉雷達(dá)系統(tǒng)工作情況。最后，確認(rèn)雷達(dá)機(jī)械系統(tǒng)建模完全正確以后，解除原有已設(shè)置的雷達(dá)系統(tǒng)方位角運(yùn)動，以便于后續(xù)向雷達(dá)系統(tǒng)添加控制系統(tǒng)。

3.2 確定ADAMS的輸入和輸出變量

雷達(dá)模型機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的輸入和輸出之間滿足如圖2所示的流程關(guān)系。從圖2可知，向雷達(dá)的機(jī)械系統(tǒng)輸入一個控制力矩（control_torque）變量，則雷達(dá)的機(jī)械系統(tǒng)向控制系統(tǒng)輸出天線仰角的方位角（azimuth_position）和馬達(dá)轉(zhuǎn)速（rotor_velocity）兩個變量。

在驗(yàn)證雷達(dá)機(jī)械系統(tǒng)樣機(jī)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(biāo)軟件選項(xiàng)中選擇聯(lián)合仿真分析的控制程序軟件MATLAB。將已經(jīng)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(xù)聯(lián)合仿真時使用。

3.3 雷達(dá)控制系統(tǒng)建模

在構(gòu)造好的雷達(dá)機(jī)械系統(tǒng)中添加控制系統(tǒng)，完成雷達(dá)控制系統(tǒng)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(yàn)雷達(dá)機(jī)械系統(tǒng)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(shù)。最后，建立控制系統(tǒng)模型，創(chuàng)建一個新Simulink模塊，根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)具體的控制要求選擇相關(guān)控制程序圖形模塊，完成控制系統(tǒng)模型搭建。雷達(dá)控制系統(tǒng)如圖3所示。

3.4 雷達(dá)系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析

所創(chuàng)建的雷達(dá)系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型在MATLAB_Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真，采用龍格庫塔法，將聯(lián)合仿真時間設(shè)定為025s，聯(lián)合仿真類型選擇參數(shù)Variablestep，求解器選定參數(shù)ode45（DormandPrince），完成雷達(dá)系統(tǒng)控制程序聯(lián)合仿真參數(shù)設(shè)置。執(zhí)行雷達(dá)系統(tǒng)聯(lián)合仿真，MATLAB將控制輸入信息發(fā)送至ADAMS，雷達(dá)系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)運(yùn)動。同時ADAMS向MATLAB傳輸天線仰角的方位角（azimuth_position）和馬達(dá)轉(zhuǎn)速（rotor_veloctiy）兩個變量的實(shí)時變化信息值。通過這種信息傳遞的方式，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)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(dá)轉(zhuǎn)速（rotor_veloctiy）變化情況如圖5所示。

結(jié)語

“機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”是一門多學(xué)科融合的專業(yè)技術(shù)課，教學(xué)內(nèi)容繁雜，對機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等基礎(chǔ)理論理解要求較高，且更偏向于二者的聯(lián)合分析，對部分學(xué)生而言晦澀深奧。因此，如何提升課堂教學(xué)效果及能夠更好地應(yīng)用于工程實(shí)踐是授課教師亟須解決的問題。在“機(jī)電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學(xué)中引入ADAMS—MATLAB聯(lián)合仿真，可以使抽象復(fù)雜的機(jī)電控制理論知識圖形化、清晰化、明確化，極大地增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了教學(xué)質(zhì)量，使教學(xué)過程更具互動性和新穎性，真正做到了理論知識應(yīng)用于工程實(shí)踐的教學(xué)目的。

參考文獻(xiàn)：

［1］魏春艷，方益權(quán)，衡孝慶.基于知識形態(tài)的新工科產(chǎn)教融合機(jī)理探究［J］.中國高教研究，2022（02）：8994.

［2］王紅雨，于張娜，閆廣芬.新工科背景下工科專業(yè)的調(diào)整、布局及衍生機(jī)制：基于33所代表性高校的分析［J］.高等工程教育研究，2021（06）：2430.

［3］盧曉紅，劉海波，劉闊，等.新工科機(jī)電課程項(xiàng)目引導(dǎo)式改革必要性及改革方向［J］.教育教學(xué)論壇，2019（46）：9698.

［4］袁永偉，李珊珊，王家忠，等.“機(jī)電一體化”課程教學(xué)改革與實(shí)踐［J］.河北農(nóng)機(jī)，2019（05）：66.

［5］宇曉明，張斌，封士彩，等.機(jī)電一體化“課程思政”的教育探索與教學(xué)實(shí)踐［J］.中國多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)學(xué)報：上旬刊，2020（04）：182183.

［6］何曉東，李花蓮，唐術(shù)鋒.機(jī)械電子工程“專業(yè)綜合設(shè)計—畢業(yè)設(shè)計”一年制運(yùn)行機(jī)制探討［J］.內(nèi)蒙古教育，2021（12）：2732.

［7］李海蕓，葉大鵬，邱榮斌，等.“機(jī)電一體化”課程移動機(jī)器人協(xié)作實(shí)驗(yàn)平臺搭建與探索［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（15）：150153+156.

［8］張文燦.ADAMS/Car與MATLAB聯(lián)合仿真在《汽車?yán)碚摗方虒W(xué)中的應(yīng)用［J］.科技視界，2016（07）：91+129.

［9］姚莉君，李成剛，張軍.ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真在3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制中的應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計，2012，29（05）：3135.

［10］馬杰.淺談三維軟件與MATLAB聯(lián)合仿真在教學(xué)中的應(yīng)用［J］.內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（11）：274275.

基金項(xiàng)目：基于智能制造導(dǎo)向下機(jī)械制圖虛擬仿真實(shí)踐基地建設(shè)（項(xiàng)目編號：241105377280656）；9%Cr鋼固態(tài)相變演化機(jī)理及殘余應(yīng)力量化表征與控制技術(shù)研究（項(xiàng)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(jī)電控制。