淺談虛擬實驗在液壓傳動教學中運用

鮑家定

摘要：隨著機械專業在全國越來越多高校的開設，液壓傳動實驗臺的需求也越來越多，而實際根本無法滿足每個學生一臺的需求，這就需要將虛擬實驗引入到實際教學中來。本文根據教學的實際需求，采用自上而下的設計方法，將虛擬實驗引入液壓傳動教學中來，通過模擬實際現象，達到學生教育應用的目的和實驗要求。

關鍵字：虛擬實驗，液壓傳動，教學，應用

1、概述

作為機械類專業的一門主要課程，液壓傳動涵蓋了數學、流體力學、電氣控制、機械設計等諸多學科，該課程是為了更好的結合理論實踐，使學生掌握液壓傳動的基本理論和相關原理，然后通過計算機等技術，達到進一步的要求。液壓傳動教學就是為了培養學生綜合運用知識的能力和實際操作水平，通過虛擬實驗教學，使學生達到扎實的基本理論知識和原理水平。

2、虛擬實驗應用于教學的理論基礎

虛擬實驗是指運用計算機、自動控制等技術滿足實際情況模擬發生的現象，達到明確的感官認識的實驗。在實際教學過程中，學校的教學條件有限，教師在實際教學過程中更好的滿足學生的直接認識，需要引進虛擬實驗。隨著電子計算機等技術的發展，虛擬實驗軟件在不斷優化和形象化，能夠達到教學的目的，而且虛擬實驗能夠滿足資源重復利用，有利于滿足學生對整個過程的直接視覺認識。一般情況下，教材都會把實驗結果給出，而實際實驗過程中的不確定性和多變性會引發學生的思考，激發學生的興趣，對提出問題和解決問題能夠有很大的幫助。根據教學需求，虛擬實驗軟件也在不斷升級，能夠滿足越來越多的虛擬實驗的要求。

3、虛擬實驗在液壓傳動教學中的應用

虛擬實驗系統是將教學內容、各種設備有機的結合在一起，通過教師的指導和學生的實際操作，達到貼近實驗的需求。本文通過簡要的描述虛擬液壓傳動實驗的溢流閥動態特性實驗，來分析教學與系統間的關系。在虛擬實驗過程中，所有的設備都是通過一定的機械符合進行運行，其物理應用平臺能夠解決輸入輸出問題，其核心是軟件運行，軟件系統架構設計的好壞直接影響實驗的效果，因此，需要通過不斷實驗和調整，設計出一個好的虛擬實驗系統，達到滿足實驗和教學要求。下面介紹液壓傳動中溢流閥虛擬動態試驗。

3.1溢流閥動態特性測試實驗

目前，較常采用的為型式試驗。型式試驗的測量精度較高，試驗條件也較為嚴格，通過試驗可以較為全面的了解溢流閥的性能參數。

溢流閥動態特性試驗的主界面如圖1所示：

從溢流閥動態特性試驗的主界面我們可以看到溢流閥動態特性曲線和濾波后特性曲線的對比。從記錄數據位置將數據導入，通過設定不同的采樣參數和濾波，得出不同的特性曲線。在溢流閥動態特性試驗的主頁面左側，有停止/運行，表示測試是否開始。系統參數的設定，例如信號電壓、截止頻率、超調率等都可以在主頁面左側設置完成。得到不同的測試曲線，可以將曲線保存到指定文件，用于以后數據讀取。溢流閥動態特性曲線及其濾波后的特性曲線在主頁面顯示時，縱軸表示壓力，橫軸表示時間變化，可以清晰得到對比曲線。

3.2 軟件模塊的選擇應用

參數模塊設置：主要參數包括（1）采樣率，又稱采樣頻率，即為每秒從外部輸入的連續信號中提取獲得并組成的離散信號的采樣個數。（2）采樣數，顧名思義，就是每次采集的數據量。

數據分析、處理模塊：在一個虛擬儀器系統中，最重要的部分就是對采集來的數據進行分析和處理，以計算出用戶所需的結果或直接生成直觀的圖形，溢流閥動態特性測試系統主要需要分析得到的就是其動態特性曲線。為此，需要知道曲線的一些特征點，而這些都要根據采集的壓力信號數據來計算出來。

濾波模塊：在實驗過程中，因為是軟件系統，不管是輸出還是輸入都會產生噪聲影響，這就需要降低噪聲，達到高精度的數據。可以采用濾波器或者軟件程序消除噪聲，根據軟件供應商提供的濾波設備進行硬件消除噪聲，同時也采用軟件的方式實行濾波除噪。

數據捆綁模塊：該模塊從上到下分別使用了捆綁函數、創建數組函數以及數值至小數字符串轉換函數。由于捆綁函數及創建數組函數在前面已經介紹過，現在主要介紹數值至小數字符串轉換函數的功能實現。

曲線、表格生成模塊：由于前面已經將數據進行了捆綁及轉換字符串等相關操作，這一模塊只需要創建相關的圖形及表格控件，并將輸入接入即可。最下面的為用以生成相關數據存儲表格的表格控件，這里使用了數字至小數字符串轉換函數，是為了將采和計算出的數據統一轉化為寬度為、精度為的小數，并以字符串的形式放入表格中。如果以后要將這些數據寫入表格中去，還需要使用分數指數字符串至數值轉換函數重新轉換回來。

實驗報告模塊：該模塊用以根據實驗數據及其它相關信息生成實驗報告，并附帶打印功能，該模塊再次使用了格式化日期時間字符串函數，用以格式化實驗的時間以日寸分來表示，并送入條件選擇結構中去。實驗報告模塊所使用的條件選擇結構內包含了一個名為“實驗報告.vi”的子程序。這里需要注意的是，在條件選擇結構外面接入了一個名為“打印”的布爾型按鈕，用以控制是否打印實驗報告。實驗報告從上到下依次為實驗日期、實驗人姓名、實驗時間及實驗內容。

復位模塊：該模塊用以將采集的數據以及以及生成并顯示的相關曲線復位，并等待實驗人的下一次操作，以決定是否開始新的采集分析過程。當執行復位操作時，條件選擇結構為真，此時，結構內部用以生成特性曲線和數據表的各種數據被全部置零，并等待實驗人的下一次操作。復位模塊使得系統重新設置定義，滿足下一次實驗要求。

每一組模塊的功能都是相互關聯的，為了更好得到虛擬實驗的效果，需要不斷改進程序流程，去除噪聲和干擾，達到具體教學應用，使得學生更好理解掌握所授實驗及原理。

4 結束語

本文通過介紹液壓傳動在機械類專業的重要性，以及虛擬實驗在具體教學中的理論基礎，闡述了虛擬實驗在液壓傳動教學中的應用。根據實際教學的意見，我們在整個虛擬液壓傳動實驗過程中能夠通過參數的設定和數據處理，得到不同的實驗效果，而對參數的調整和數據分析，可以滿足液壓傳動的教學需求，達到教師及學生的教學和認識目的。

參考文獻：

[1]潘偉等. 虛擬儀器技術在液壓測試中的應用[J]. 廣東：機床與液壓，2001

[2]韓偉. 液壓傳動虛擬實驗的研究[D]. 安徽：安徽理工大學，2011