机电液系统综合实践平台的建设

刘沛津， 谷立臣， 雷 鹏， 孙 昱

(西安建筑科技大学 机械电子技术研究所，陕西 西安 710055)



·实验教学与创新·

机电液系统综合实践平台的建设

刘沛津， 谷立臣， 雷 鹏， 孙 昱

(西安建筑科技大学 机械电子技术研究所，陕西 西安 710055)

针对目前机械工程专业研究生教学及科研训练培养过程中实验环节缺乏系统性、专业性及工程应用能力不强等问题，首先分析了建设电液系统测试、诊断与控制综合实践平台的必要性，然后提出以专业领域关键基础问题为主线构建突出专业核心技术实验与科研实践平台的思路和方法，最后通过机电液系统综合实践平台的研发过程、功能特点及应用实例说明了以专业领域基础理论为主线构建突出专业核心技术实验与科研实践平台的可行性和实用性。

机械工程； 实验与科研实践平台； 专业课程体系； 专业核心技术； 机电液系统

0 引 言

钱学森指出：“技术科学是人类知识的新部门。”而机械工程学科是联结自然学科与工程行为的桥梁。在我国机械工程学科的战略导向是：要高度重视技术科学的发展和工程实践能力的培养，提高把科技成果转化为工程应用的能力[1]。我国对机械工程类学科人才的培养，往往重于书本，而轻实践，从而导致将理论转化为生产力的过程中出现断层，尤其高校由于实验室、仪器设备等硬件设施建设方面欠缺，导致所培养的机械类研究生无法锻炼出机械学科系统性的思维及工程应用的能力。近几年，实验教育资源随着研究生招生规模的增加越发紧张，使学生在校的工程实践机会大幅缩短，实验教学内容的片面化，更加难以实现机械类研究生在校期间的工程实践能力培养目标[1-3]。

研究生在本科阶段已经完成了机械学科的基础课程，但无法系统、综合的应用，并且缺乏实践能力。目前，我国的研究生教育虽然越来越重视实践的培养，也提出了强化工程应用训练的措施，但系统性的设计、综合性的应用、理论上的创新都较为缺乏[4-6]。使研究生往往过多专注于问题的解决方法，而忽视了问题载体所表现出来的根本性问题，导致方法难以用于实际。现行的研究生教学方法中，同一导师的研究生常常所研究的方向不一，缺乏统一载体，使研究生相互之间的学术交流较少，不能形成统一团队，从而导致工程素质培养的缺乏。同时，研究生的毕业条件往往是以发表论文决定，更加使学生重理论而轻实践，使所研究的内容无法产品化，从而缺失了走向工程实践的最终环节也是最重要的环节。因此，在机械类研究生培养过程中，通过专业化的实验平台建设，将提供从系统设计、功能开发、理论研究到产品化多方面的资源，形成教学科研到实践产品的综合培养体系。

机械工程专业的实验在一方面能够锻炼研究生实验方法和技能，另一方面要培养研究生对于实际产品开发的能力。大学生在本科阶段接受的往往是验证型实验，且得到的训练与实际相距甚远，使工程应用人才的培养目标难以实现，因此在研究生起始阶段如何系统训练学生系统的应用专业基础知识，并对基本实验器材的掌握是一个重要的过程。随着学生对实验方法和技能的掌握，在高年级阶段就需要接受产品化开发能力，及产品性能及可靠性检验技能训练，使所学到的理论能够付诸实际[7-9]。目前，国内专业团队所拥有的实验台，突出了学术水平高、专用性能强的特点，但综合性、集成性、二次开发能力有限，就某一问题所设计的平台实验，往往使学生无法多角度的看待问题，使学生综合能力无法得到锻炼。作者所在的研究团队，通过多年的研究成果和对机械学科发展方向的把握，以产业化为目标，最终建成了具有多学科共享，开放性及实用性强的研究生专业实验与科研实践平台。通过实验平台的设计、功能开发、二次开发、研究方向的确定，以产品化为目标，使学生既学有所长，又能对所研究的载体有深入的了解，通过团队的配合锻炼了学生的合作精神。为此，针对目前机械工程专业研究生实践环节中有待改进的地方，将产品开发作为培养研究生的最终环节，旨在促进研究生教学改革进程、强化工程意识、增加动手能力、培养用于创新实践与合作精神。

1 结合机械学科研究特点及产品化目标建设实验与科研实践平台

机械工程学科随着新兴技术的发展，不断吸收物理、化学、材料科学、生命科学的新发现和新发明，开辟了新的方向，从单一机器运动理论逐步到人机交互，再到仿生机器，机械工程学科与自然科学的高度交叉、融合已成为当前机械与制造科学研究的重要特点。而其中多过程、多耦合的复杂机电液系统设计制造成为新的科学发展方向，如何认识新型机械在服役过程中所表现出的“有机整体”是今后研究的重点，即如何认识复杂系统在系统层面所表现出的“物质流—能量流—信息流”的交互影响，如何在设计中将模块化的设计转变为集成化、有机化的设计，如何从全局角度对系统性能进行评估等。总之，从集成科学的高度设计机电装备的新思想必将大力促进功能更为强大、性能更加优越的各类机电装备的发展[1]。

服务于工业的各类重大装备在追求高性能、高效率、高精度的同时，促使各种装备系统多技术单元的高度集成，成为将机、电、液等多物理过程融合于载体的复杂机电液系统。在完成复杂多物理过程中，实现能量、物质与信息的融合、传递、转化和演变，形成强大的功能。因此，机械学科综合实践平台应能体现出复杂系统设计与制造工程中某些共性科学问题以及核心技术的综合特性。

机械专业综合实践平台应该由重大设备功能发生过程抽象而来。复杂机电系统在功能发生过程中除了内部因素的影响外，同时还受到外部因素的影响，需要综合考虑系统内外的交互影响，结合工程实际建设综合性实验平台，有助于对设备实际运行时所表现出的共性进行研究，并从中提炼出共性理论与核心技术作为实验研究内容。

“现代机电装备在不断追求高效率、高精度、高品质和极限功能的进程中，催生了一系列结构复杂、工况极端、信息融通、高效节能和精确稳定的复杂机电系统。未来的复杂机电系统将不断提升多学科知识融合、高新技术集成的水平[1]。”机械系统的动力学建模、分析、设计和控制的一般理论和方法是机械动力学学科的主要研究范畴, 其总体发展趋势是高速、高精度、非线性、多尺度和多场耦合系统的动力学,关键共性技术主要有：①系统的动力学建模、分析、设计和控制方法；②多领域建模与多学科优化理论与方法；③系统动力学分析方法与动态性能匹配技术；④系统可靠性设计理论与方法；⑤系统服役性能监测、故障诊断与预示技术。机械工程综合实践平台建设应该考虑这一发展趋势，让研究者在平台上实践复杂机电系统的功能生成与多物理过程耦合机制，寻找和发现复杂机电系统集成、融合与演变过程的规律，为创造功能极端强化、技术性能趋于极限的复杂机电装备提供系统集成设计的科学理论与方法。与此同时，可在深入认识载体运行机理的过程中，对以上关键基础问题重点研究，结合实际运行规律开发相应方法，拓展实物开发技能，最终达到开发产品的目的。

2 基于机电液系统动力学正反问题实践平台构建

机电液系统设计理论中首先强调结构，并从系统结构角度来分析系统的功能生成过程所表现出的动力学行为。在综合实践平台设计过程中，为满足模拟多种系统实际运行状态，其结构为开放式，可通过多种元件的加入改变系统功能及性能，使不同研究方向的研究生可针对具体问题进行实验研究，通过寻找系统的较优结构，来获得较优的系统行为。

设计中首先分析系统动力学正问题，即假设系统负载及驱动方式已知，分析其行为模式；在设计综合实验平台过程中，课题组为结合工程实际，在满足中型压力系统性能要求的基础上，增加负载模拟系统，通过物理模拟以及电液模拟对实际系统的运行状态进行实验研究。可使学生对建模、系统分析、设计和控制方法的认识有实际的物理效果，而不盲目的追求好的测试效果，从系统本身了解其系统性能和控制方法，培养学生学以致用的科研素质。

动力学反问题，指由于系统输出的行为模式是由系统内部的信息反馈机制决定的，若要系统达到理想行为模式就必须对系统内部动态信息实施在线测量、分析、诊断，利用控制手段来校正系统的行为模式，即利用在线测量的反馈信息校正系统的动力学行为，以期达到理想。测试技术是工程及科研技术人员所必备的技能，数据的采集、分析、诊断是研究生认知机电系统客观规律的一个重要过程，因此，综合实验台针对机、电、液各子系统都配置了相应的传感器，通过在线测量、诊断与反馈控制达到最优的系统行为，使学生在实验过程中对系统性能进行认知，在此基础上，可对测试系统进行软硬件开发，并付诸于实际应用。

由此可以看出，复杂机电系统的共性科学问题：首先是通过寻找系统的较优结构，来获得较优的系统行为，然后再通过在线测量、诊断与反馈控制达到最优的系统行为，正反问题互相影响的机理分析就构成了复杂机电系统动力学基本理论体系；其核心技术是系统建模、分析、设计方法，多源动态信息测量与分析技术，系统诊断与控制技术。

作者所在团队基于国家自然科学基金面上项目“基于多源信息融合的液压动力系统监测、诊断和故障控制理论研究”，在搭建实验平台的同时，针对机电液系统动力学正反问题的研究，相继开发出了液压系统变转速驱动及控制技术、典型工况数字化模拟加载技术、系统功率动态匹配及图示化方法、基于电参量信息融合的状态监测与故障诊断技术等多项科研成果，并将其开发为软硬件相适应的产品，共获得了4项发明专利，发表了20多篇学术论文，涉及机械动力学，流体传动与控制，传感技术与信号处理，控制理论与方法，设备状态监测与故障诊断等多门研究生学位课程的综合实验内容。目前该平台已经成为我们研究所全体师生不可或缺的教学及科研资源，它的主要功能和特点可以概括为：针对所要研究的机电液系统关键技术问题，设计的基础实验台具备以下功能[10-16]，其整体装配图见图1。

图1 综合实验台三维装配图

(1) 动力源功能。实验台设有两套动力源，①驱动系统动力源，②加载系统动力源。驱动系统动力源由永磁同步电机驱动齿轮泵组成，加载系统动力源由异步变频电机驱动齿轮泵组成。可实现动力源内、外特性对比以及跟踪匹配特性研究，变转速液压系统伺服控制技术研究等。

(2) 液压系统功能。液压系统为开式液压回路，可实现节流、调压、换向等基本液压回路；当使用者需要对基础实验台的功能进行拓展时，可利用模块化结构自主便捷安装。

(3) 数据采集及测控功能。通过传感器、调理电路及数据采集卡，分别对电参量、机械参量、液压参量等运行状态物理量进行监测并存储至工控机，实现在线监测并在线实时输出测试结果，能够在线及离线对数据进行滤波、转换及必要的信号处理。通过工控机及控制元件对负载系统进行实时控制，使系统能够完成研究所需工况的改变。

(4) 实际工况模拟功能。机电液系统的动态特性不仅受其内部参数的影响，对不同工况的响应也有所不同，因此，实验台具备模拟实际作业环境下的典型工况及极端工况，系统必须能够模拟实际工况，以综合研究不同工况下机电液系统的动态性能。

(5) 运行状态及故障模拟功能。一般机电液系统在服役期间，其故障是逐步演化的，在研究过程中为了准确辨识故障产生过程中系统参数所反映出的信息特征，需要人为地模拟一些故障，为开展系统运行状态监测及故障诊断方面的研究提供实验环境。实验装置可以模拟：异步电机转子断条、匝间短路、定转子碰摩，转子不平衡、不对中，液压元件泄漏、超载溢流、转速波动、冲击震荡等。

实验平台特点：研究生在学习液压传动及控制、机电系统动力学、测试技术、控制理论、机电系统控制、信号处理技术、机械故障诊断等课程后，通过对机电液系统实际运行状态的在线检测与控制，让学生掌握液压基本元件及回路的结构原理、参数设定、基本性能以及运行状态检测与控制的实验方法、操作技能及实验结果的综合分析能力。可体现出复杂系统设计与制造工程中共性科学问题以及核心技术的综合特性，引导学生深入思考。该实验平台是由重大工程装备典型结构抽象而来，并从中提炼出共性理论与核心技术作为实验内容，因此，特别适合机电专业学生通过综合性及专业性实验的观察来分析系统建模与工程实际的异同条件，深入思考专业领域基础理论与核心技术的关系；针对学习重点、难点以及论文研究内容节点问题，适合开展研讨式学习和案例式实验教学。

在通过对研究生科研能力培养的同时，我们更加注重对科研成果转化产品能力的培养，通过联系校外企业，要求学生了解企业产品需求、新技术、新工艺、新设备、新材料、新产品开发以及技术改造方面的优势，将所研究的内容开发为实际技术及产品，在能够应用于实验台的基础上，付诸企业，以此达到培养研究生工程应用能力的目的。由于研究生在进入企业前已经有针对性地训练了用综合性专业知识分析技术难题的能力，进入企业后有利于研究生独立分析产品设计方法和制造工艺，更有利于训练研究生返校后按照企业标准规范阐述研究内容、验证和总结科学结论能力。

3 综合实践平台建设总结与展望

机电液系统测试、诊断与控制综合实践平台建设是以机械工程学科基础理论为主线，构建出的具有专业基础理论的的课程科研教学平台。以课程实践为基础，培养工程应用能力及科研能力为过程，最终达到开发产品的目的。建立将多学科的实践环节集成于同一综合实践平台，有利于学科专业课程的交叉融合和相互支撑，使学生更能深刻理解课程内容及综合应用。在建设过程中，我们将国家自然科学项目所提出的科学问题进过多年转化为实际研究平台，通过多届研究生不同层次的努力证明：高校教师的教学不能仅限于课本的知识转化，应将自身的科研内容带入课堂，，使教学内容得到补充和更新，再将开发综合、创新型实验项目直接和开展的科研工作挂钩，使学生逐步地深入生产实际，使学生能够发现问题，才能在今后的学习中针对问题找方法，从而解决问题；在此过程中，不仅能够培养出优秀的学生，更能带动青年教师，有利于课题组申报高水平科研项目、培养高水平师资队伍奠定坚实基础。针对提高专业学位研究生实践能力培养问题，所提出的校外实践模式有利于理工科研究生专业实验的教学重点是突出实验的专业思想和理论与实际的联系，这样有助于研究生在企业从事新技术、新工艺、新设备、新材料、新产品研制开发实践中提出工程难题和关键技术作为自己的研究重点。在专业学位研究生培养全过程中应始终营造一种进行科学实验和产品试验的环境和氛围，强调建模仿真与实际求证相结合的分析方法，这样有助于推进从注重知识学习转变为知识学习和能力训练并重、从注重考试成绩转变为解决实际问题能力的研究生培养模式改革。

4 结 语

以机械工程专业领域共性科学问题以及核心技术构建的机电液系统测试、诊断与控制综合实验平台能充分体现机械学科综合性、交叉性和设计性特点，适合开展研讨式学习和案例启发式教学，并为培养学生科研到工程应用的转化提供实际实践平台。

[1] 国家自然科学基金委员会工程与材料科学部.机械工程学科发展战略报告(2011-2020)[M]．北京：科学出版社，2010.

[2] 张建宇,李羽让. 以学科实验平台为基础构建研究生公共实验教学体系的构想与实践[J]. 学位与研究生教育，2012(3):33-35.

[3] 张淑林,陈 伟. 集中资源优化组合建设研究生公共教学科研实验平台[J]. 研究生教育研究,2011(2)：1-5.

[4] 潘海鸿,黄炳琼,秦钢年,等.具有重组功能模块化的机电一体化综合实验平台研制[J].实验室研究与探索,2008(9):50-52.

[5] 王立权,任正义,张汉润,等.模块化机电一体化实验系统研究与实践[J].实验室研究与探索,2002(6):47-50，53.

[6] 庄熙星.机电一体化实验教学探索与实践[J].实验室科学,2009(3):37-38.

[7] 尹志强,王玉琳.创新型机电一体化实验教学平台的研究与开发[J].机床与液压,2009(12):62-65.

[8] 宓方伟,陈功福.机电一体化实验装置设计[J].制造技术与机床,2004(6):35-37.

[9] 邵园园,玄冠涛.机电一体化实验教学改革探索与实践[J].中国现代教育装备，2010(9)：84-86.

[10] 谷立臣,刘沛津,陈江城.基于电参量信息融合的液压系统状态识别技术[J].机械工程学报， 2011,47(24):141-150.

[11] 贾永峰. 永磁伺服电机驱动的液压动力系统性能及测控技术研究[D].西安：西安建筑科技大学，2013.

[12] 郑德帅, 谷立臣, 贾永峰. 基于AMEsim的电液负载模拟系统[J]. 机械设计与研究, 2013, 29(2): 97-100.

[13] 谷立臣，刘沛津. 在线监测电机功率状态的图形识别技术[J]. 中国电机工程学报, 2012,32(9):100-108.

[14] 谷立臣. 液压设备多源诊断信息获取实验装置及其实验方法：中国，200810232493.6 [P]. 2011-05-04.

[15] 谷立臣, 贾永峰. 永磁伺服电机驱动的节能型液压动力源：中国，201010259684.9.[P].2012-07-11.

[16] 谷立臣,刘沛津,雷 鹏,等．基于电参量信息融合的液压系统运行状态在线监测方法：中国，201010586150.7 [P]. 2013-02-20．

Construction of Comprehensive Practice Platform of Mechanical Electrical and Hydraulic System

LIUPei-jin,GULi-chen,LEIPeng,SUNYu

(Research Institute of Mechanical and Electronic Technology,Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

In view of the problems of lacking experimental procedures and less systematic and professional during the process of teaching and scientific research training for the mechanical engineering graduate students, the necessity of establishing comprehensive practice platform for system test, diagnosis and control of mechanical and electrical hydraulic for graduate students is analyzed in the first place. Secondly, it puts forward research mentality and technique about building outstanding professional core technology comprehensive practice platform, which is based on professional course system. Eventually, the feasibility and practicability of building comprehensive practice platform are illustrated by means of the research and development process, functional characteristics and application example of mechatronic and hydraulic system comprehensive practice platform.

mechanical engineering; experiments and research practice platform; professional course system; professional core technology; mechatronic and hydraulic system

2015-02-27

国家自然科学基金资助项目(51275375)；西安建筑科技大学支助研究生重点教改项目

刘沛津(1971-)，女，陕西西安人，博士，副教授，研究方向：机电液一体化技术。

Tel.：13909182791；E-mail:s343574357@126.com

TP 23

A

1006-7167(2016)01-0137-04