《机电传动与控制》教学仿真试验平台的建设与应用
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2011 , 03 ( 9 ) : 80 - 82 . 咱3暂杜福银.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 . 咱4暂邹利军.机电传动控制课程虚拟实验技术的研究[D].武 汉 院 华 中 科 技 大 学 , 2009 . 咱5暂 刘 振 . 机 电 传 动 控 制 教 学 实 验 系 统 研 究 [D]. 武 汉 院 华 中 科 技 大 学 , 2011 . 咱6暂朱春鸯,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 . 咱 7 暂 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 .
揖参考文献铱 咱1暂王克义,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 . 咱 2 暂 许 焰 , 庞 佑 霞 , 唐 勇 . 面 向 工 程 实 践 科 研 引 导 教 学 要要 要 叶机电传动与控制曳课堂教学探究[J].当代教育理论与实践,
图 1 叶机电传动与控制曳教学仿真实验平台架构图 所 构 建 的 基 于 Matlab / Simulink 的 叶 机 电 传 动 与 控
制曳教学仿真实验平台如图 2 所示遥
渊2冤作为教学实践应用平台袁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袁 通过大作业的形式开展任务驱动式虚拟实验教学遥 以 晶闸管整流电路尧直/交流调速电路为主要虚拟试验内 容袁拟定详细的实验内容尧操作步骤尧任务要求袁规范 化实验报告袁 形成切实可行的虚拟实验方案遥 通过虚 拟实验袁 一方面与实物实验对照袁 使学生理解建模仿 真的目的与意义袁 另一方面扩展实验内容袁 使学生加 深对理论教学内容的理解和掌握遥
渊3冤作为现代工具使用的范本袁培养学生解决复杂 工程问题的能力
在课堂与虚拟试验教学过程中袁 将教学仿真平台 本 身 作 为 其 中 一 项 教 学 内 容 袁 简 要 介 绍 Matlab / Simulink 的使用及仿真实验教学平台的虚构造原理袁 引导学生 完成对实际工程问题的数学抽象尧建模尧仿真与分析遥 针 对 学 有 余 力 的 同 学 袁 结 合 科 创 竞 赛 尧 SRT 项 目 等 创 新 能力培养活动袁 面向工程素质培养进行科研基本能力 的历练遥
. Al然l设R置i了gh一t定s学R时es的e电rv机e实d验. 袁 但 不 足 以 形 成 对 课 程
理论体系的全方面支撑遥 仿真实验平台能够拉近学生 与理论知识的距离袁 与课堂教学可以深度融合袁 同时 具有投入成本低尧运用灵活的优点袁能够对现有叶机电 传动与控制曳课程教学形成全面支撑和必要补充遥
Science & Technology Vision
科技视界
《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 渊 济 南 大 学 机 械 工 程 学 院 袁 山 东 济 南 250022 冤
揖摘 要铱针对机械类专业叶机电传动与控制曳教学模式现状袁为了创新教学模式袁提高教学质量袁提出基于 Matlab / Simulink 构 建 系 统 完 整 的 教 学 仿 真 试 验 平 台 袁 并 将 其 在 课 堂 教 学 尧 虚 拟 实 验 教 学 尧 创 新 能 力 培 养 等 多 方 面进行应用袁取得了较好的教学效果遥
电传动控制教学实验系统遥 基于实际硬件系统的实验 教学中是不可替代的重要环节袁 但实验平台构造复 杂袁实验内容也十分有限袁且投入和使用成本较高袁而 在此基础上广泛开展仿真实验能够使实验教学得到有 效地补充遥
目前可采用的机电传动及控制虚拟仿真工具也比 较 多 袁 但 各 有 优 劣 袁 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袁 但欠缺对电动机机 械 特 性 的 仿 真 支 持 遥 Matlab 以 其 灵 活 的 编 程 语 言 尧 丰 富 的图形绘制尧 强大的数据处理能力以及模块化的动态 系 统 仿 真 工 具 Simulink 袁 成 为 仿 真 领 域 最 受 欢 迎 的 软 件 曰 同 时 Matlab 对 电 动 机 建 模 尧 运 行 仿 真 尧 控 制 仿 真 的 支持也较为全面袁 因此是较为理想的仿真工具袁 相关 应 用 也 较 多 袁 例 如 院 基 于 Matlab / Simulink 平 台 袁 朱 春 鸯 [ 6 ] 等 进 行 了 异 步 电 动 机 机 械 特 性 的 仿 真 曰 贾 建 强 等 [7] 进 行了交流电机调速系统的建模与仿真遥 实验教学实践 证 明 院 将 基 于 Simulink 仿 真 实 验 应 用 到 电 机 实 验 教 学 中袁可以生动尧形象地将电机性能显示出来袁便于分析 研究袁 具有较强的实践指导意义袁 同时可以弥补传统 实验方法的不足袁 对于一些不能或不便于用实际设备 演示的实验项目袁 借助仿真实验分析袁 可减少实物实 验设备尧 耗材费用袁 使学生能够更深入地理解和掌握 理 论 知 识 袁 提 高 学 习 效 果 遥 但 是 袁 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袁同 时与课堂教学需要进一步融合遥
作 者 简介 院 刘海宁渊1983.08要冤袁男袁汉族袁山东济南人袁工学博士袁济南大学机械工程学院袁讲师袁研究方向为远程监测与故障诊断遥 150 科技视界 Science & Technology Vision
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的启动尧调速尧制动过程的动态分析曰晶闸管及整流电 路均是逻辑仿真分析袁 而交尧 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 现曰 教学仿真平台的人机接口设计目的是为了便于教 学及实验的开展袁 将控制参数尧 变量等在程序界面设 计输入接口袁 并通过动态图表的形式对仿真结果进行 呈现袁 形成人机交互方便尧 原理与过程呈现直观的教 学仿真实验平台遥2 叶机传动与控制曳教学仿真平台的建设
叶机电传动与控制曳的核心教学内容包括机电传动 的动力学基础尧 直/交流电动机的工作原理与特性尧常 规控制电动机的构造与工作原理尧 以晶闸管为核心的 电力电子学基础尧直/交流电动机调速系统等遥 通过对 上述教学内容的进一步梳理和总结袁 按照教学内容之 间 的 内 在 逻 辑 关 系 袁 对 基 于 Matlab / Simulink 教 学 仿 真 实 验平台进行了系统化架构袁如图 1 所示遥 交尧直流电动 机的数学模型是进行教学仿真实验平台的基础袁 通过 构建直/交流电动机数学模型实现对直尧交流电动机固 有尧 人为机械特性的图形化呈现袁 进而实现对电动机
揖关键词铱叶机电传动与控制曳课程曰教学仿真平台曰本科教学
中 图 分 类 号 院 G642 ; TH132 - 4
文献标识码院 A
DOI 院 10 . 19694 / j . cnki . issn2095 - 2457 . 2018 . 19 . 066
文 章 编 号 院 2095 - 2457 渊2018冤19-0150-002
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图 2 叶机电传动与控制曳教学仿真实验平台示例
3 教学仿真平台的应用
渊1冤作为一种教学辅助工具袁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袁 直接面向教材对应的理论 知识点遥 将教学仿真实验平台搬入课堂袁 可以与原理 视频尧图文展示尧理论推导有机结合袁重构教学过程袁 打造野多位一体冶的教学模式袁提高教学的趣味性遥 例 如院在进行交/直流电动机的机械和人为机械特性的每 个理论点讲解时袁 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遥
1 叶机电传动与控制曳教学模式现状
在叶机电传动与控制曳的教学实施上袁绝大多数高 校采取了野理论教学+实验实践冶相结合的模式遥 王克 义[1]等对其本省高等院校叶机电传动与控制曳教学进行 了广泛调研袁 突出反映出了该课程教学模式单一尧教 学内容脱离实际尧 教学手段落后尧 忽视实验教学等问 题遥 这些问题在全国各高校包括本校的 叶机电传动与 控制曳教学中具有很强的代表性遥 针对这些问题袁各高 校教学人员均探索了不同方式的教改实践遥 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 习兴趣袁 培养学生工程设计能力及创新意识袁 并以科 研引导教学袁提高教学效果遥 杜福银[3]在叶机电传动与 控制曳 教学过程中着重实践了问题式教学方式袁 取得 了较好的教学效果遥 王克义等[1]将任务驱动教学法引 入课堂教学袁 同时注重对教学内容的更新和教学手段 的丰富袁多方并举袁教学质量明显提高袁学生的综合能 力得到改善袁值得深入学习和借鉴遥 其中袁教学资源平 台构建和教学手段更新是进行深入教学改革和研究的 铺垫袁 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 袁 例 如 院 邹 丽 君 [ 4 ] 基 于 softPLC 设 计 了 机 电 传 动 控 制 虚 拟 实 验 平 台 曰 刘 振 [ 5 ] 基 于 PLC 设 计 了 机
叶机电传动与控制曳是野机械工程及自动化冶专业的 主干技术基础课袁涉及数学尧物理学尧电子学尧控制理 论等多方面知识袁 兼具较强的学科交叉性和工程实用 性袁 在专业知识结构上起着承下启上的作用遥 在多年 的教学过程中发现以下突出矛盾院 一是教学学时较 少袁而教学内容较多曰二是课程内容理论性强袁有理论 推导尧有定性分析尧有定量计算袁特别是涉及到多学科 知识的综合利用袁 对学生知识结构的宽度和深度要求 都比较高曰 三是实验建设的系统性欠佳遥 作为一门技 术基础课袁不针对具体应用袁但是又面向工程应用袁虽
4 结论
. All Rights Reserved.
基 于 Matlab / Simulink 的 叶 机 电 传 动 与 控 制 曳 教 学 仿 真实验平台不受实验教学条件限制袁 教师能够有效应 用于课堂教学袁 学生能够应用该平台直观地进行自学 和虚拟实验袁 与实物试验能够形成有效对照和补充袁 从而为更加行之有效教学模式的形成提供有效支撑遥 从先期的教学试验应用来看袁 取得了较好的教学效 果遥
揖参考文献铱 咱1暂王克义,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 . 咱 2 暂 许 焰 , 庞 佑 霞 , 唐 勇 . 面 向 工 程 实 践 科 研 引 导 教 学 要要 要 叶机电传动与控制曳课堂教学探究[J].当代教育理论与实践,
图 1 叶机电传动与控制曳教学仿真实验平台架构图 所 构 建 的 基 于 Matlab / Simulink 的 叶 机 电 传 动 与 控
制曳教学仿真实验平台如图 2 所示遥
渊2冤作为教学实践应用平台袁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袁 通过大作业的形式开展任务驱动式虚拟实验教学遥 以 晶闸管整流电路尧直/交流调速电路为主要虚拟试验内 容袁拟定详细的实验内容尧操作步骤尧任务要求袁规范 化实验报告袁 形成切实可行的虚拟实验方案遥 通过虚 拟实验袁 一方面与实物实验对照袁 使学生理解建模仿 真的目的与意义袁 另一方面扩展实验内容袁 使学生加 深对理论教学内容的理解和掌握遥
渊3冤作为现代工具使用的范本袁培养学生解决复杂 工程问题的能力
在课堂与虚拟试验教学过程中袁 将教学仿真平台 本 身 作 为 其 中 一 项 教 学 内 容 袁 简 要 介 绍 Matlab / Simulink 的使用及仿真实验教学平台的虚构造原理袁 引导学生 完成对实际工程问题的数学抽象尧建模尧仿真与分析遥 针 对 学 有 余 力 的 同 学 袁 结 合 科 创 竞 赛 尧 SRT 项 目 等 创 新 能力培养活动袁 面向工程素质培养进行科研基本能力 的历练遥
. Al然l设R置i了gh一t定s学R时es的e电rv机e实d验. 袁 但 不 足 以 形 成 对 课 程
理论体系的全方面支撑遥 仿真实验平台能够拉近学生 与理论知识的距离袁 与课堂教学可以深度融合袁 同时 具有投入成本低尧运用灵活的优点袁能够对现有叶机电 传动与控制曳课程教学形成全面支撑和必要补充遥
Science & Technology Vision
科技视界
《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 渊 济 南 大 学 机 械 工 程 学 院 袁 山 东 济 南 250022 冤
揖摘 要铱针对机械类专业叶机电传动与控制曳教学模式现状袁为了创新教学模式袁提高教学质量袁提出基于 Matlab / Simulink 构 建 系 统 完 整 的 教 学 仿 真 试 验 平 台 袁 并 将 其 在 课 堂 教 学 尧 虚 拟 实 验 教 学 尧 创 新 能 力 培 养 等 多 方 面进行应用袁取得了较好的教学效果遥
电传动控制教学实验系统遥 基于实际硬件系统的实验 教学中是不可替代的重要环节袁 但实验平台构造复 杂袁实验内容也十分有限袁且投入和使用成本较高袁而 在此基础上广泛开展仿真实验能够使实验教学得到有 效地补充遥
目前可采用的机电传动及控制虚拟仿真工具也比 较 多 袁 但 各 有 优 劣 袁 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袁 但欠缺对电动机机 械 特 性 的 仿 真 支 持 遥 Matlab 以 其 灵 活 的 编 程 语 言 尧 丰 富 的图形绘制尧 强大的数据处理能力以及模块化的动态 系 统 仿 真 工 具 Simulink 袁 成 为 仿 真 领 域 最 受 欢 迎 的 软 件 曰 同 时 Matlab 对 电 动 机 建 模 尧 运 行 仿 真 尧 控 制 仿 真 的 支持也较为全面袁 因此是较为理想的仿真工具袁 相关 应 用 也 较 多 袁 例 如 院 基 于 Matlab / Simulink 平 台 袁 朱 春 鸯 [ 6 ] 等 进 行 了 异 步 电 动 机 机 械 特 性 的 仿 真 曰 贾 建 强 等 [7] 进 行了交流电机调速系统的建模与仿真遥 实验教学实践 证 明 院 将 基 于 Simulink 仿 真 实 验 应 用 到 电 机 实 验 教 学 中袁可以生动尧形象地将电机性能显示出来袁便于分析 研究袁 具有较强的实践指导意义袁 同时可以弥补传统 实验方法的不足袁 对于一些不能或不便于用实际设备 演示的实验项目袁 借助仿真实验分析袁 可减少实物实 验设备尧 耗材费用袁 使学生能够更深入地理解和掌握 理 论 知 识 袁 提 高 学 习 效 果 遥 但 是 袁 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袁同 时与课堂教学需要进一步融合遥
作 者 简介 院 刘海宁渊1983.08要冤袁男袁汉族袁山东济南人袁工学博士袁济南大学机械工程学院袁讲师袁研究方向为远程监测与故障诊断遥 150 科技视界 Science & Technology Vision
Science & Technology Vision
科技视界
的启动尧调速尧制动过程的动态分析曰晶闸管及整流电 路均是逻辑仿真分析袁 而交尧 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 现曰 教学仿真平台的人机接口设计目的是为了便于教 学及实验的开展袁 将控制参数尧 变量等在程序界面设 计输入接口袁 并通过动态图表的形式对仿真结果进行 呈现袁 形成人机交互方便尧 原理与过程呈现直观的教 学仿真实验平台遥2 叶机传动与控制曳教学仿真平台的建设
叶机电传动与控制曳的核心教学内容包括机电传动 的动力学基础尧 直/交流电动机的工作原理与特性尧常 规控制电动机的构造与工作原理尧 以晶闸管为核心的 电力电子学基础尧直/交流电动机调速系统等遥 通过对 上述教学内容的进一步梳理和总结袁 按照教学内容之 间 的 内 在 逻 辑 关 系 袁 对 基 于 Matlab / Simulink 教 学 仿 真 实 验平台进行了系统化架构袁如图 1 所示遥 交尧直流电动 机的数学模型是进行教学仿真实验平台的基础袁 通过 构建直/交流电动机数学模型实现对直尧交流电动机固 有尧 人为机械特性的图形化呈现袁 进而实现对电动机
揖关键词铱叶机电传动与控制曳课程曰教学仿真平台曰本科教学
中 图 分 类 号 院 G642 ; TH132 - 4
文献标识码院 A
DOI 院 10 . 19694 / j . cnki . issn2095 - 2457 . 2018 . 19 . 066
文 章 编 号 院 2095 - 2457 渊2018冤19-0150-002
Science & Technology Vision 科技视界 151
图 2 叶机电传动与控制曳教学仿真实验平台示例
3 教学仿真平台的应用
渊1冤作为一种教学辅助工具袁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袁 直接面向教材对应的理论 知识点遥 将教学仿真实验平台搬入课堂袁 可以与原理 视频尧图文展示尧理论推导有机结合袁重构教学过程袁 打造野多位一体冶的教学模式袁提高教学的趣味性遥 例 如院在进行交/直流电动机的机械和人为机械特性的每 个理论点讲解时袁 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遥
1 叶机电传动与控制曳教学模式现状
在叶机电传动与控制曳的教学实施上袁绝大多数高 校采取了野理论教学+实验实践冶相结合的模式遥 王克 义[1]等对其本省高等院校叶机电传动与控制曳教学进行 了广泛调研袁 突出反映出了该课程教学模式单一尧教 学内容脱离实际尧 教学手段落后尧 忽视实验教学等问 题遥 这些问题在全国各高校包括本校的 叶机电传动与 控制曳教学中具有很强的代表性遥 针对这些问题袁各高 校教学人员均探索了不同方式的教改实践遥 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 习兴趣袁 培养学生工程设计能力及创新意识袁 并以科 研引导教学袁提高教学效果遥 杜福银[3]在叶机电传动与 控制曳 教学过程中着重实践了问题式教学方式袁 取得 了较好的教学效果遥 王克义等[1]将任务驱动教学法引 入课堂教学袁 同时注重对教学内容的更新和教学手段 的丰富袁多方并举袁教学质量明显提高袁学生的综合能 力得到改善袁值得深入学习和借鉴遥 其中袁教学资源平 台构建和教学手段更新是进行深入教学改革和研究的 铺垫袁 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 袁 例 如 院 邹 丽 君 [ 4 ] 基 于 softPLC 设 计 了 机 电 传 动 控 制 虚 拟 实 验 平 台 曰 刘 振 [ 5 ] 基 于 PLC 设 计 了 机
叶机电传动与控制曳是野机械工程及自动化冶专业的 主干技术基础课袁涉及数学尧物理学尧电子学尧控制理 论等多方面知识袁 兼具较强的学科交叉性和工程实用 性袁 在专业知识结构上起着承下启上的作用遥 在多年 的教学过程中发现以下突出矛盾院 一是教学学时较 少袁而教学内容较多曰二是课程内容理论性强袁有理论 推导尧有定性分析尧有定量计算袁特别是涉及到多学科 知识的综合利用袁 对学生知识结构的宽度和深度要求 都比较高曰 三是实验建设的系统性欠佳遥 作为一门技 术基础课袁不针对具体应用袁但是又面向工程应用袁虽
4 结论
. All Rights Reserved.
基 于 Matlab / Simulink 的 叶 机 电 传 动 与 控 制 曳 教 学 仿 真实验平台不受实验教学条件限制袁 教师能够有效应 用于课堂教学袁 学生能够应用该平台直观地进行自学 和虚拟实验袁 与实物试验能够形成有效对照和补充袁 从而为更加行之有效教学模式的形成提供有效支撑遥 从先期的教学试验应用来看袁 取得了较好的教学效 果遥