虚拟仿真教学在机械工程控制基础课程中的应用研究

肖能齐，方子帆，陈保家，卢 金

(三峡大学 机械与动力学院，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

机械工程控制基础课程作为机械专业非常重要的一门核心课，以控制论为理论基础，研究机械工程中广义系统的动力学问题。其课程目标主要是使学生逐步学会运用“系统”、“动态”的观点定性分析系统的工作原理及特点，通过构建系统的数学模型，运用控制原理和数理基础课知识对系统信息的传递及反馈控制的动态特性进行定性分析，初步学会将控制理论、微处理机技术同机械制造技术结合，运用控制论的理论与方法，来考察、分析与解决机械工程中的实际问题[1-2]。

目前工程教育中新工科建设和工程教育专业认证工作，不断强调通过课程教学体系、实验教学体系和企业实践等多样化方式提升学生解决复杂工程问题和科技创新的能力[3-4]。但是目前大多数高校在实验教学和企业实践等方面存在较多困难，一方面，较多企业基于安全生产管理要求，正在减少或不愿意接纳高校学生参加企业实践的需求；另一方面，实验教学环节的增加，势必会导致学校不断增加教学实验设备采购和设备维护资金的投入以及增加实验设备安全性管理难度。虚拟仿真技术的应用顺应了国家高等教育信息化的发展趋势和现实需求[5-6]。例如，2020年新冠病毒疫情的暴发导致高校学生无法正常开学，2020春季学期的教学任务往往采取线上教学手段完成，但是对于实验教学与企业实践教学环节却较为被动，若将虚拟仿真技术应用于课程教学和实践教学环节中，将很好地解决上述问题。

以机械工程控制基础课程为研究对象，依托课程大纲体系和培养目标，利用Simulink软件构建虚拟仿真动态模型库和虚拟仿真平台，同时制定虚拟仿真技术在课程教学中的应用与实施方案。通过虚拟仿真技术在课程教学中的应用，让学生可以运用理论知识解决实际问题，提高学生的学习热情和工程应用能力。

1 构建虚拟仿真动态模型库

机械工程控制基础课程中系统的数学模型、频域与时域特性分析以及系统的稳定性判断等涉及较强的数学理论知识、复杂的公式推导过程和复杂的图表曲线特性分析，与其他专业课程相比，该课程具有较强的理论性，学生学习动力不足。同时，针对课程内容而言，其所涉及的知识面广，在有限的学时内按照教材章节逐一讲解的方式，系统性不强，往往难以让学生们理解和掌握，教学效果较差。为了解决上述问题，采用课程知识结构与MATLAB/Simulink仿真软件相结合的方式，建立虚拟仿真动态模型库，从而实现以课程知识为主干和以虚拟仿真动态模型库为枝叶的课程组成。

以数控直线运动工作台位置控制系统为对象，该系统的工作原理示意图如图1所示。通过对数控直线运动工作台的工作原理进行分析，发现该系统在数控镗床、激光加工机床和数控钻床等方面有广泛的应用，该系统全闭环的控制系统精度高。

图1 数控直线运动工作台位置控制的工作原理示意图

根据上述该系统的工作原理和能量守恒定理，可以构建如下微分方程组：

其中，J1为电动机转子轴部件的转动惯量；J2为减速器输出轴部件转动惯量；i为减速比；P为螺距。

根据构建的系统模型和微分方程组，利用Simulink仿真软件，可以构建如图2所示的位置控制系统的仿真模型。利用该模型进行仿真分析，从而获得该系统的时域响应特性和频域响应特性等，为机械工程控制基础中系统数学模型、系统的时间响应分析和频域响应分析提供了更为直观的演示，使学生更加容易理解相关授课知识。

图2 位置控制系统的仿真模型

2 虚拟仿真技术在教学中的应用

为了推动教育与信息技术的融合，依托虚实并重、课内外结合的原则，实现多元化教学。本课程教学方案的实施包括以下几个步骤：

第一，教学准备，为后续的教学提供支持。课堂教学主要包括虚拟仿真动态模型库、课件制作、教学活动设计等。网络教学准备主要是利用互联网平台资源，将课程视频、虚拟仿真模型库以及工程实际案例分析等提供给学生用于自学、讨论交流与答疑。

第二，基于虚拟仿真技术的课堂教学。与传统的灌输式课堂教学不同，课堂教学不是采用对课本知识全部讲解的方式进行教学活动，而是阐述某一实际生产生活的实例或项目实例方案，通过对实例进行拆解和借助虚拟仿真动态模型库，使得课程重点难点知识以较为简单和直观的方式呈现在学生面前，从而让学生可以运用理论知识解决实际问题并提高理论联系实际的能力。

第三，根据虚拟仿真平台，开展创新实验。相对于传统实验平台，虚拟测试网络实验平台具有明显优势，如投入运行成本小、受益面广、影响范围大等。依托MATLAB/Simulink仿真软件平台，学生以团队形式完成自主综合课程设计项目，在查阅文献、设计方案、系统搭建、数据采集、数据分析及答辩陈述的过程中培养实践动手能力、综合创新能力及团队协作能力。

3 结论

第一，提高了学生课堂学习兴趣。借助虚拟仿真教学将课程中的抽象问题具体化，将理论知识实践化。使学生能够更加直观、清晰地理解和掌握课程知识，有利于提高教学质量、增强学生的学习兴趣。

第二，提升了学生的创新与实践能力。根据制定的虚拟仿真动态模型库或自主设计课题，学生可以运用虚拟仿真手段参与到系统建模、分析、设计中，提高学生的创新及实践能力。

第三，解决了传统实验不足的问题。虚拟仿真解决了实验受硬件设备条件限制的问题，大大拓展了传统实验的范畴，解决了实验资金和实验设备不足的问题。