液压专业课的虚拟仿真实验教学

杨秀萍， 胡文华， 徐晓秋

(1.天津理工大学 机械工程学院 机电工程国家级实验教学示范中心， 天津 300384；2.天津理工大学 天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室， 天津 300384)

引言

液压技术本身具有独特的优势，在工程领域中应用越来越广泛。现代工业对液压机械的性能以及自动化程度的要求不断提高，液压技术与电子、控制以及计算机技术密切融合，企业对机电液一体化技术人才需求提升，对高校人才培养也提出了更高的要求[1-3]。

液压技术实践性很强，要求学生在掌握基本理论的基础上，具有实践动手能力。因此，实践环节在学生综合运用专业知识能力、工程能力和创新能力的培养中具有重要地位。由于传统液压实验设备能完成的实验内容较为固定，综合实验较少，学生动手机会少，不利于培养学生的综合实践能力[4-5]。

随着计算机技术的发展与应用，仿真技术在液压课程教学中得到了广泛应用[6-8]。开发仿真实验，不受元件、实验装置和仪器、实验场地等限制，在搭建、调试液压系统回路和连接控制线路时，出现故障也不会有安全问题。同时仿真实验教学方式弥补了某些实物实验教学条件不足或难以实施的困难，拓展了现有的教学内容和手段，有效促进了实验教学的改进和提高。

流体传动与控制是天津理工大学机械电子工程专业的一个专业方向，其专业课程设置包括《液压传动》、《液压传动系统分析与设计》、《电液控制工程》[9]、《专业设计》等。根据工程教育认证毕业要求，通过学习这些课程，目的在于培养学生解决复杂工程问题的能力。近年来，在教学中，利用液压仿真软件AMESim，Automation Studio(AS)等，开发了液压元件、基本回路和系统、液压比例控制系统、伺服控制系统等仿真实验，并应用在实验教学中。

1 AMESim仿真实验

AMESim是工程系统高级建模和仿真软件。在仿真过程中，通过图形界面为用户提供了时域和频域仿真建模环境。搭建系统或元件时，将所需的元件从相应的元件库中拖到草图区，对元件职能符号进行布置，2个选定的油口或接口之间可以自动绘制油路或连线。利用子模型功能可以给每个元件建立数学模型，定义工作参数，然后进行仿真计算，实现对系统或元件性能的模拟和测试[10]。

在《液压传动》教学过程中，应用AMESim仿真平台，开发各类液压阀、液压基本回路的性能实验。通过创建模型、参数设置、运行仿真，进行结果分析。改变元件的结构参数、回路特性参数等，可以观察得到参数对性能的影响。图1所示为溢流阀性能仿真实验，图1a为仿真模型，设置相关结构参数后，仿真得到压力p随时间t变化的曲线；同时，改变阻尼孔直径d的大小(或黏性阻力)，可以看出阻尼孔对溢流阀动态性能的影响，如图1b所示，阻尼孔增大时，阻尼作用减小，压力上升时间缩短，但超调增加，调整时间增长。图2为进油节流调速回路仿真实验，图2a为仿真模型，图2b为不同节流口开口系数时的速度-负载特性曲线。为使学生掌握回路的速度-负载特性，仿真时改变负载F的大小，调节节流口开口系数W，观察速度v变化规律。

图1 直动式溢流阀性能仿真实验

图2 进油节流调速回路仿真实验

《液压传动系统分析与设计》与《电液控制工程》的教学内容更复杂、抽象，同时涉及电液控制技术， 学生理解和掌握更加困难。仿真实验主要用于分析系统的静态和动态性能，如位置伺服控制系统实验[11]，图3a为仿真模型，给定液压泵、液压缸和伺服阀等相关参数，设置负载和增益值，可以得到活塞的位移、速度随时间的变化曲线、动态误差及系统伯德图，从而可以分析系统的静、动态特性。增益K值增加时，响应速度加快，动态误差减小，但会出现振荡，稳态误差增加；减小伺服阀固有频率f时，响应速度变小，动态跟踪误差e增大，活塞运动速度波动较大，造成系统不稳定，如图3b所示。改变伺服阀的阻尼比等参数，可以进一步分析参数对系统性能的影响。

图3 位置伺服控制系统仿真实验

仿真实验，用直观、定量的数值和可视化的方式来描述系统的工作过程，有利于帮助学生理解元件和系统的工作原理，获取回路中不同位置的压力、流量信息以及元件的工作状态，分析系统的静、动态性能等，还可以掌握结构参数对系统响应的稳定性、快速性和准确性的影响，便于验证系统性能，合理进行优化设计，仿真实验还可以与已有的实物实验进行相互验证。

2 AS仿真实验

AS仿真软件具有设计和动态仿真功能，可以对液压系统、电气控制电路及可编程控制器程序进行虚拟设计、调试、分析、测试等。通过仿真模拟，可以完成复杂液压系统的设计和实验，并对方案进行修改和完善[12]。

在《专业设计》实践环节教学中，采用CDIO项目式教学方法[13-14]，每3个学生为1个组，每组选择不同的项目，设计过程包括：明确要求与方案论证，系统结构设计，系统仿真与实验，总结与答辩。与CDIO项目教学的“构思-设计-实施-运作”相对应，其目标就是培养学生综合运用液压课程知识、解决复杂液压工程问题的能力。

学生完成方案论证及系统设计后，在“实施”阶段，首先利用AS仿真软件进行系统的机电液联合仿真。建立系统仿真模型，对所设计的系统进行可行性分析，调试元件压力、流量等参数，设计PLC硬件控制线路图和梯形图，并运行调试。得到系统在不同工作阶段的油液流动动画图，执行元件压力、流量变化曲线等。通过仿真系统调试，可以实现相应的控制功能，验证回路的正确性，排除故障。

然后，学生根据仿真实验，利用工业级可拆卸综合实验台，搭建自己所设计的液压系统装置(或部分装置)，注意元件进、出口，检查回路连接是否正确，根据控制线路仿真模型，完成PLC线路连接。通过现场操作，实现控制功能，对所设计的控制系统进行实验验证。仿真实验与实物实验相互结合，可以优势互补，既培养学生使用现代工具实施设计方案的能力，又培养学生的实践动手能力和调试能力。

以剪叉式液压升降台系统设计为例[15]，如图4所示。图4a为系统仿真图，包括机械装置图、液压原理图、PLC接线图和梯形图；图4b为搭建的部分实物实验装置图。

图4 剪叉式升降台液压系统

3 仿真实验教学的实施

课程团队教师将仿真软件的使用和仿真实验的内容、要求编写成仿真实验指导课件，把每个仿真实验的操作过程录制了微课视频，作为各门课程线上教学资源发布到智慧树教育平台，学生可以灵活安排时间在线学习，重复观看视频，还可以与教师线上互动、交流，完成仿真实验及实验报告，仿真实验报告与实物实验报告共同作为实验成绩考核依据。

根据软件使用授权要求，AS软件的学习采用集中授课和网络视频讲解相结合的线上线下混合方式，要求学生在专业设计教室完成项目设计和仿真实验任务，以现场演示、设计说明书和答辩的形式进行成绩考核。

经过多年的教学实践，学生能够熟练运用虚拟仿真技术进行液压系统的设计与分析，并应用于毕业设计中，提高了设计能力、计算机应用能力和实践能力。部分仿真实例已编入出版的《液压元件与系统设计》教材中。

4 结论

液压虚拟仿真实验是液压理论知识、工程应用和计算机知识的高度综合。教学实践表明，仿真实验拓展了现有实验内容的深度和广度，丰富了实验教学资源和教学形式，与实物实验相结合，可以优势互补，相互验证。形象化、可视化的仿真实验效果和分析功能，有利于学生理解抽象的专业知识，培养学生进行实验设计和现场实验调试等综合能力，提高实验教学质量和教学效果。同时，仿真实验要求每位学生独立完成，可以避免实物实验过程中，部分学生不动手旁观的现象，充分调动了学生参与实验的积极性和主动性。