《机电传动与控制》教学仿真试验平台的建设与应用

刘海宁　张金凯　王娜　赵洪华

【摘 要】针对机械类专业《机电传动与控制》教学模式现状，为了创新教学模式，提高教学质量，提出基于Matlab/Simulink构建系统完整的教学仿真试验平台，并将其在课堂教学、虚拟实验教学、创新能力培养等多方面进行应用，取得了较好的教学效果。

【关键词】《机电传动与控制》课程；教学仿真平台；本科教学

中图分类号： G642；TH132-4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）19-0150-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.19.066

《机电传动与控制》是“机械工程及自动化”专业的主干技术基础课，涉及数学、物理学、电子学、控制理论等多方面知识，兼具较强的学科交叉性和工程实用性，在专业知识结构上起着承下启上的作用。在多年的教学过程中发现以下突出矛盾：一是教学学时较少，而教学内容较多；二是课程内容理论性强，有理论推导、有定性分析、有定量计算，特别是涉及到多学科知识的综合利用，对学生知识结构的宽度和深度要求都比较高；三是实验建设的系统性欠佳。作为一门技术基础课，不针对具体应用，但是又面向工程应用，虽然设置了一定学时的电机实验，但不足以形成对课程理论体系的全方面支撑。仿真实验平台能够拉近学生与理论知识的距离，与课堂教学可以深度融合，同时具有投入成本低、运用灵活的优点，能够对现有《机电传动与控制》课程教学形成全面支撑和必要补充。

1 《机电传动与控制》教学模式现状

在《机电传动与控制》的教学实施上，绝大多数高校采取了“理论教学+实验实践”相结合的模式。王克义[1]等对其本省高等院校《机电传动与控制》教学进行了广泛调研，突出反映出了该课程教学模式单一、教学内容脱离实际、教学手段落后、忽视实验教学等问题。这些问题在全国各高校包括本校的《机电传动与控制》教学中具有很强的代表性。针对这些问题，各高校教学人员均探索了不同方式的教改实践。许焰等[2]在课堂教学过程中综合运用多种教学方式激励学生学习兴趣，培养学生工程设计能力及创新意识，并以科研引导教学，提高教学效果。杜福银[3]在《机电传动与控制》教学过程中着重实践了问题式教学方式，取得了较好的教学效果。王克义等[1]将任务驱动教学法引入课堂教学，同时注重对教学内容的更新和教学手段的丰富，多方并举，教学质量明显提高，学生的综合能力得到改善，值得深入学习和借鉴。其中，教学资源平台构建和教学手段更新是进行深入教学改革和研究的铺垫，因此各高校都十分重视对教学资源的投入和教学手段的构建，例如：邹丽君[4]基于softPLC设计了机电传动控制虚拟实验平台；刘振[5]基于PLC设计了机电传动控制教学实验系统。基于实际硬件系统的实验教学中是不可替代的重要环节，但实验平台构造复杂，实验内容也十分有限，且投入和使用成本较高，而在此基础上广泛开展仿真实验能够使实验教学得到有效地补充。

目前可采用的机电传动及控制虚拟仿真工具也比较多，但各有优劣，如邹丽君[4]所采用的softPLC侧重对电动机控制方式的模拟和仿真，但欠缺对电动机机械特性的仿真支持。Matlab以其灵活的编程语言、丰富的图形绘制、强大的数据处理能力以及模块化的动态系统仿真工具Simulink，成为仿真领域最受欢迎的软件；同时Matlab对电动机建模、运行仿真、控制仿真的支持也较为全面，因此是较为理想的仿真工具，相关应用也较多，例如：基于Matlab/Simulink平台，朱春鸯[6]等进行了异步电动机机械特性的仿真；贾建强等[7]进行了交流电机调速系统的建模与仿真。实验教学实践证明：将基于Simulink仿真实验应用到电机实验教学中，可以生动、形象地将电机性能显示出来，便于分析研究，具有较强的实践指导意义，同时可以弥补传统实验方法的不足，对于一些不能或不便于用实际设备演示的实验项目，借助仿真实验分析，可减少实物实验设备、耗材费用，使学生能够更深入地理解和掌握理论知识，提高学习效果。但是，基于Matlab/Simulink的实验平台建设系统性和完整性有待进一步加强，同时与课堂教学需要进一步融合。

2 《机电传动与控制》教学仿真平台的建设

《机电传动与控制》的核心教学内容包括机电传动的动力学基础、直/交流电动机的工作原理与特性、常规控制电动机的构造与工作原理、以晶闸管为核心的电力电子学基础、直/交流电动机调速系统等。通过对上述教学内容的进一步梳理和总结，按照教学内容之间的内在逻辑关系，对基于Matlab/Simulink教学仿真实验平台进行了系统化架构，如图1所示。交、直流电动机的数学模型是进行教学仿真实验平台的基础，通过构建直/交流电动机数学模型实现对直、交流电动机固有、人为机械特性的图形化呈现，进而实现对电动机的启动、调速、制动过程的动态分析；晶闸管及整流电路均是逻辑仿真分析，而交、直流调速系统的仿真分析需要进一步结合对调速元器件的建模和仿真综合实现；教学仿真平台的人机接口设计目的是为了便于教学及实验的开展，将控制参数、变量等在程序界面设计输入接口，并通过动态图表的形式对仿真结果进行呈现，形成人机交互方便、原理与过程呈现直观的教学仿真实验平台。

3 教学仿真平台的应用

（1）作为一种教學辅助工具，与课堂理论教学进行深度融合

教学仿真实验平台的建设将还原教学内容的系统性和完整性作为重要目标，直接面向教材对应的理论知识点。将教学仿真实验平台搬入课堂，可以与原理视频、图文展示、理论推导有机结合，重构教学过程，打造“多位一体”的教学模式，提高教学的趣味性。例如：在进行交/直流电动机的机械和人为机械特性的每个理论点讲解时，可在教学仿真平台进行参数调整以观察特性曲线的变化情况。

（2）作为教学实践应用平台，开展任务式虚拟实验教学实践

将教学仿真实验平台作为实物实验的有效补充，通过大作业的形式开展任务驱动式虚拟实验教学。以晶闸管整流电路、直/交流调速电路为主要虚拟试验内容，拟定详细的实验内容、操作步骤、任务要求，规范化实验报告，形成切实可行的虚拟实验方案。通过虚拟实验，一方面与实物实验对照，使学生理解建模仿真的目的与意义，另一方面扩展实验内容，使学生加深对理论教学内容的理解和掌握。

（3）作为现代工具使用的范本，培养学生解决复杂工程问题的能力

在课堂与虚拟试验教学过程中，将教学仿真平台本身作为其中一项教学内容，简要介绍Matlab/Simulink的使用及仿真实验教学平台的虚构造原理，引导学生完成对实际工程问题的数学抽象、建模、仿真与分析。针对学有余力的同学，结合科创竞赛、SRT项目等创新能力培养活动，面向工程素质培养进行科研基本能力的历练。

4 结论

基于Matlab/Simulink的《机电传动与控制》教学仿真实验平台不受实验教学条件限制，教师能够有效应用于课堂教学，学生能够应用该平台直观地进行自学和虚拟实验，与实物试验能够形成有效对照和补充，从而为更加行之有效教学模式的形成提供有效支撑。从先期的教学试验应用来看，取得了较好的教学效果。

【参考文献】

[1]王克义，黄玉瑄.机电传动及控制教学改革的探索与实践研究[J].教学研究，2016，39（1）：88-92.

[2]许焰，庞佑霞，唐勇.面向工程实践 科研引导教学——《机电传动与控制》课堂教学探究[J].当代教育理论与实践， 2011，03（9）：80-82.

[3]杜福银.问题式教学在机电传动控制教学中的应用[J].高等教育研究：成都，2011（4）：82-84.

[4]邹利军.机电传动控制课程虚拟实验技术的研究[D].武汉：华中科技大学，2009.

[5]刘振.机电传动控制教学实验系统研究[D].武汉：华中科技大学，2011.

[6]朱春鸯，周政新.三相异步电动机调速机械特性仿真分析[J].上海第二工业大学学报， 2012（4）：288-295.

[7]贾建强，韩如成，左龙.基于MATLAB/SIMULINK的交流电机调速系统建模与仿真[J].电机与控制学报，2000，4（2）：91-93.