虛擬仿真技術在“液壓傳動”課程中的應用研究

鄧江洪 陳新元 曾良才

[摘 要] 針對液壓傳動傳統實驗在本科“液壓傳動”實驗教學中的不足，研究采用虛擬仿真技術建立虛擬仿真實驗，對傳統實驗進行擴展與深化，并從仿真實驗的總體框架、實驗內容、實驗原理、實驗特點和表現形式等方面對虛擬仿真技術在“液壓傳動”實驗課中的應用進行了探索，建立了液壓元件與系統虛擬仿真平臺，使用結果表明，虛擬實驗有助于提高學生的學習積極性、鞏固課本知識、培養安全意識和創新精神。

[關鍵詞] 液壓傳動;實驗教學;虛擬仿真技術;虛擬仿真實驗

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）03-0157-04? ?[收稿日期] 2020-09-13

虛擬仿真實驗是指借助于多媒體、仿真和虛擬現實等技術，在計算機上所進行的對傳統實驗各操作環節的模擬與仿真[1，2]。虛擬仿真實驗不僅可以逼真重建實驗設備外形，還可以對元件靈活放大與縮小，對元件內部結構透視，對實驗進程進行控制，甚至模擬故障，等等。由于虛擬仿真實驗教學的教學效果等值于甚至優于實體實驗，引起了國內外的廣泛關注與研究[3]。“液壓傳動”是機械電子工程專業的主干課程之一[4，5]，是機、電、液、控制多學科知識綜合應用的典型代表，液壓傳動實體實驗具有很強的復雜性、不可視性和危險性，實體實驗難以滿足教學需要[6-10 ]，為了提高教學效果，液壓傳動課程教師一直對新的教學方法進行探索，包括對傳統的液壓實驗局限性進行分析，對虛擬實驗內容進行整體規劃[8-10 ]，對表現方法進行探索[5-7，9，10]。我校在已有的液壓元件及系統性能試驗臺的基礎上，采用虛擬仿真技術，建立了《液壓元件及系統仿真實驗》。在兩個學年的教學中，特別是在新型冠狀肺炎疫情期間，開展了網上實驗，鞏固了學生的課程基礎知識，增強了學生對涉及多學科交叉的綜合知識點的理解深度，提高了液壓實驗的直觀性，培養了學生的創新思維。

一、傳統的液壓傳動實驗教學存在的問題與提高教學效果的途徑

液壓傳動實體實驗在本科教學中發揮了重要作用，增進了學生對課本知識的理解，提高了學生的實踐能力，但由于其本身的特點，存在一定的局限性[4]，主要包括以下幾點。

一是液壓傳動實驗在教學中受到各種因素的制約，如液壓傳動介質高壓力（約0～31.5MPa）、驅動設備高電壓、實驗設備結構和控制復雜、環境惡劣（噪聲大、油液污染）、危險性高（出現泄漏易傷人）等，為了防止安全事故的發生，避免組織大量學生進行實驗和禁止學生進行自主實驗，實驗流程多為教師準備、安全檢查，學生點擊按鈕，觀察和記錄分析，這就導致學生無法參與實驗的全部流程[5]，不利于學生實踐能力的提高和培養其安全意識及創新能力。

二是傳統的液壓傳動實驗只能通過液壓缸、馬達、儀表對實驗結果進行描述，關鍵的元件內部結構和工作原理及流體流動狀態無法觀測，氣穴也無法觀測。

三是由于液壓元件型號和規格繁多，元件選型與應用是實踐的要點，需要通過實驗結果的異同來加深知識點的理解與記憶，但是由于實驗室元件種類有限，且不同規格元件安裝平臺不同，加工周期長、成本高，因此實驗室的條件無法實現，制約了教學效果[ 10 ]，限制了學生開展探索性研究和對創新思維的培養。

因此可以利用虛擬仿真實驗的優勢，打破液壓傳動實體實驗的局限，提高教學效果。主要有以下幾點：（1）虛擬實驗能真實模擬實驗步驟規劃、實驗元件選型、安裝、實驗安全檢查、實驗操作步驟和數據分析處理的全流程。（2）虛擬實驗能利用計算機技術，采用元件閥體透視、半剖、全剖等方法，展現出元件的內部結構與工作過程;采用局部放大，展現流體的微小運動狀態，采用整體縮小，展現設備的整體狀態;采用進程控制，對瞬間發生的液壓現象進行慢放或回放。（3）虛擬實驗能表現出不同規格的元件，并且選擇不同規格后，系統有不同的表現形式。

虛擬實驗不僅是實體實驗的真實反映，更是對實體實驗的補充與擴展，符合現代教學發展。

二、液壓傳動虛擬實驗平臺建設

（一）總體框架

液壓傳動仿真實驗教學體系中心構建“一平臺、兩目標、三層次、四結合、五模塊、十學科”。以液壓傳動仿真實驗平臺為切入口，實現高素質應用型行業領軍人才培養和創新實踐能力培養的目標;分為專業基礎、專業拓展和綜合創新三個層次;搭建元件認知與設計模塊、回路搭建與故障處理模塊、關鍵元件性能檢測模塊、典型系統測試與評估模塊、互動與考核模塊，鞏固課本知識，提高創新能力，融入工程實踐知識，實現共性問題系統自動解答，特殊問題教師對應解答;結合課本理論知識、實驗教學內容、工程案例和前沿技術，在專業拓展和創新實踐層次輻射“流體力學”“電工電子”“機械控制原理”“計算機測試技術”“可編程控制器原理及應用”等上游學科與“液壓比例系統”“液壓伺服系統”“液壓故障診斷”“智能控制基礎”共九門核心專業課程，并將課本知識點連成片，融入工程實踐，培養高層次人才。

（二）模塊設計原則與作用

1.液壓元件認知與設計模塊。熟悉和深入了解泵、閥、缸和輔件等液壓元器件的結構和工作原理，通過自主構建新型結構的液壓元件，培養學生的創新能力。

2.液壓回路搭建與故障處理模塊。熟悉典型液壓回路的搭建與典型液壓系統故障診斷，了解液壓系統設計本質和維護要領，提高實踐動手能力，建立良好的工程觀念。

3.關鍵液壓元件性能測試模塊。掌握元件性能曲線的識讀和指標的計算，強化依據液壓元件性能指標選型的設計能力。

4.液壓典型液壓系統測試與性能評判模塊。深入理解機—電—液—控制一體化，學會控制系統性能分析比對和參數的調節優化，強化液壓系統穩、準、快的控制思想與電、液聯動調試方法。

（三）各模塊實驗原理簡介

1.液壓元件認知與設計模塊實驗原理。為了鞏固基礎知識，加深對液壓元件的理解并培養創新精神，虛擬實驗系統建立了豐富的液壓元件和基礎部件庫，通過文字、圖片或聲音對其進行基本講解，學生通過調用液壓元件庫中的對應元件，結合課堂講授或教材上的理論知識，運用相應工具可對其進行任意拆裝和解剖（如圖1所示），充分觀察元件結構和內部流道、阻尼孔、閥口、節流邊、均壓槽、摩擦副等關鍵部位的特征，彌補現有實驗室因經費、場地等限制導致的元件種類和數量少、操作困難等不足之處。

學生還可以調用液壓基礎部件庫，運用“功能單元法”，按照元件各部件的功能進行簡化（如圖2所示），學生根據原理組合出不同結構和功能的新型液壓元件，促進學生思考，激發其創造力。

2.液壓回路搭建模塊實驗原理。為了提高學生分析問題和實踐動手的能力，建立良好的工程觀念，虛擬實驗系統開發了典型液壓回路虛擬搭建、診斷功能模塊。學生根據給定條件、目標原理圖，從元件庫中自主選擇主要元件的類型（如圖3所示）、主要參數（如圖4所示）、連接和控制方式等，根據元件的連接方式，選擇合適的工具（如圖5所示）進行液壓回路的虛擬裝配搭建。

在裝配搭建過程中，虛擬實驗回路會檢測元件的額定參數、傳感器量程、元件安裝方式是否正確，密封件是否安裝、螺栓是否緊固，實時提示錯誤和故障，引導學生運用所學理論知識分析判斷并糾正錯誤，直到液壓系統正確搭建完成。為了強化學生的安全意識，模擬故障現場，如密封件未安裝，出現安裝面或接頭滲漏，學生應補充安裝;如安裝閥件螺栓未緊固，啟動泵電機后，油液從縫隙處噴射，甚至出現閥體從安裝面噴出的場景;如壓力設置超過安全值，管道破裂，油液飛濺。

通過虛擬實驗操作，讓學生親身經歷工具使用、元件選型和配合、系統的集成制造、故障處理等過程，領悟液壓系統設計本質和維護要領。同時，排除了實際實驗系統高壓和強電傷害學員的隱患，避免了在裝配過程中油液外泄導致的資源浪費和環境污染。

3.關鍵液壓元件性能測試模塊實驗原理。為了培養學生的工程意識和機電專業知識的融合，虛擬實驗系統開發了關鍵液壓元件性能虛擬檢測模塊。學生操作系統，可對選定的液壓缸的啟動壓力、帶載動摩擦力等指標進行檢測，分別生成啟動壓力曲線、帶載動摩擦力曲線，通過試驗結果分析比對，學會液壓缸類性能曲線的識讀和指標的計算，強化依據液壓元件性能指標選型的設計能力。

4.典型液壓系統測試與性能評判模塊實驗原理。虛擬實驗系統開發了典型液壓系統性能測試與控制參數調試測控模塊。學生可對系統設定的典型位置伺服控制系統的試運行、階躍響應、動態頻寬等指標進行測試，生成階躍響應曲線和頻率特性曲線。通過對試驗曲線識讀，計算伺服控制系統的動態特性指標，并對主要控制參數（P、I、D等）進行調整，改善和優化控制系統的性能。

通過典型液壓系統虛擬性能測試與控制參數調試操作，掌握液壓位置閉環控制原理，體會機—電—液—控制一體化系統的復雜性，強化液壓系統穩、準、快的控制思想與電、液聯動調試方法。

（四）實驗特色

1.對實驗進行放大，即允許學生操作錯誤，虛擬操作不當導致的危險，培養學生的安全意識;可對實驗進行縮小，即看到在實體實驗中看不到的內部動作、流體流動狀態等。

2.對實驗進行加速，對進展緩慢且不關鍵的過程進行加速，縮短實驗時間;對實驗進行減速，對瞬時發生的現象進行減速或多次回放，便于觀察細節。

3.對實驗過程非線性化設計，操作順序、操作方法、參數設置具有一定的隨機性和任意性，允許容錯、試錯，不同實驗條件產生不同的實驗結果，訓練學生的綜合能力。

（五）教學效果

自“液壓傳動”虛擬仿真實驗上線以來，對提高“液壓傳動”理論課和實驗課教學效果起到了積極作用。學生反饋，虛擬實驗生動有趣，提高了學生對液壓傳動課程的興趣。本科一年級和二年級的學生通過虛擬實驗，對專業知識體系和工程應用有了一定的了解;本科三年級學生反饋，虛擬實驗加深了對課本知識的理解，在期末考試中，元件原理說明題的得分率有了大幅提高;本科四年級學生反饋，虛擬實驗促使學生對“液壓傳動”“液壓比例技術”等課程知識有了新的認識，對畢業設計有了較大幫助;在實物實驗前，通過虛擬實驗熟悉操作流程，提高了實驗室的利用效率。目前，本校有近500名學生受益，特別是在疫情期間，虛擬仿真實驗在實驗教學中發揮了重要作用。

三、結語

“液壓傳動”虛擬仿真實驗是信息技術與液壓傳動實驗教學深度融合的產物，極大地拓展了專業實驗的廣度、深度和學習資源，特別適應現代化教學的發展，豐富了學生的學習模式。虛擬實驗采用“線上+線下”教學相結合的個性化、智能化和泛在化的實驗教學新模式，將基于網絡的遠程教學和基于翻轉課堂的引導式、開放式教學相結合，激發了學生的實驗興趣和積極性，提高了學生的實驗操作技能。但是，如何將機電專業其他學科知識在該實驗平臺上有機融合，在不嵌入專業軟件的前提下，實現梯形圖的編制、曲線的生成，在實驗時間分散、缺乏師生面對面的情況下，及時掌握學生的學習狀態并給予幫助等，還需要進一步的研究與完善。

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