机械工程控制的虚拟仿真实验教学实践

张智焕，张惠娣

(浙江大学 宁波理工学院 机电设计与控制工程研究所，浙江 宁波 315100)

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物[1-4]。在高危的环境，不可及的操作，高成本、高消耗、大型综合训练等情况下，虚拟仿真实验教学能够提供可靠、安全和经济的实验项目[5-8]。高等学校要以全面提高学生创新精神和实践能力为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化实验教学资源为重点，建设具有示范、引领作用的机械工程控制基础虚拟仿真实验教学中心，持续推进实验教学信息化建设，推动实验教学的改革与创新。

虚拟仿真实验教学依托虚拟现实和多媒体技术，CAD、ProE和Matlab等软件，以及人机交互、数据库和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验[9]，达到教学大纲所要求的教学效果。

1 虚拟仿真实验教学资源

浙江大学宁波理工学院发挥本校学科专业优势，积极利用企业的开发实力和支持服务能力，充分整合学校信息化实验教学资源，以培养学生综合设计、创新能力为出发点，创造性地建设和应用高水平的软件共享虚拟实验、仪器共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等教学资源，提高教学能力，拓展实践领域，丰富教学内容，降低成本和风险，开展绿色实验教学。

例如，学院开设了机械工程控制基础虚拟仿真实验，包括：

实验一：典型环节的模拟及其一阶响应；

实验二：二阶系统的模拟和时间响应分析；

实验三：控制系统应用软件及典型控制系统建模分析；

实验四：控制系统频域特性分析；

实验五：控制系统校正及PID仿真。

本文以控制系统频域特性分析为例，描述虚拟仿真过程。

(1) 奈奎斯特图(幅相频率特性图)。

Matlab为用户提供了专门用于绘制奈奎斯特图的函数nyquist，常用格式为：nyquist (num,den)；

或nyquist (num,den,w) 表示频率范围0～w；

或nyquist (num,den,w1:p:w2) 绘出在w1～w2频率范围内，且以频率间隔p均匀取样的波形。

举例如下：

输入

>> num=[2,5,1]；den=[1,2,3];nyquist(num,den)

显示见图1。

图1 奈奎斯特图

(2) 对数频率特性图(波特图)。

Matlab为用户提供了专门用于绘制波特图的函数bode，其常用格式：

bode (num,den)

或bode (num,den,w) 表示频率范围0～w。

或bode (num,den,w1:p:w2) 绘出在w1～w2频率范围内，且以频率间隔p均匀取样的波形。

举例如下：

输入

>> num=[1];den=[1,0.2,1];bode(num,den)

显示见图2。

图2 波特图

2 虚拟仿真实验教学共享平台

为高效管理实验教学资源，实现校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源共享，满足多个地区、多个学校和多个学科专业的虚拟仿真实验教学的需求，要建设具有扩展性、兼容性、前瞻性的共享平台。可探索校企共建共管的新模式和新途径，建立可持续发展的虚拟仿真实验教学共享平台[10-11]，共享平台视频材料为通用流媒体格式文件。视频材料包含实验教学中心环境全貌、设备全貌、实验项目操作界面和功能界面等内容，软件为Matlab、CAD、ProE等。

3 教学团队建设和虚拟仿真实验教学中心管理

建设教学、科研、技术人员结合，核心骨干人员相对稳定，结构合理的虚拟仿真实验教学队伍，形成一支教育理念先进、学术水平高、教学科研能力强、实践经验丰富、勇于创新的虚拟仿真实验教学团队。

以虚拟仿真实验教学资源的开放、共享、充分使用为目标，制定并有效实施保障虚拟仿真实验教学的教师工作绩效考核、经费使用、实验教学中心维护、可持续发展等政策措施，制定有利于激励学生学习和提高学生创新能力的教学效果考核、评价和反馈机制[12]。

4 结束语

本文分析了传统实验教学模式中存在的问题,以及实物实验教学无法在MOOC教学中应用，指出随着网络技术飞速发展以及MOOC教学的普遍应用,在高等学校利用虚拟实验室进行实验教学已成为一种趋势,将会成为未来实验教学的重要途径和方式。建议设立教研项目，加快研究开发虚拟实验及建设虚拟实验室，并逐步完善，使其成熟,担当起实验教学的重任。

虚拟实验室是对传统实验教学模式的革新，十分适合新的MOOC教学、新的学生培养模式，在高校实验教学中具有广阔的应用前景。

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