ADAMS—MATLAB聯(lián)合仿真在“機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學改革中的應(yīng)用

摘 要：傳統(tǒng)“機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學存在多學科融合理解不足、實踐支撐薄弱等問題。本文提出將ADAMS—MATLAB聯(lián)合仿真技術(shù)引入課程改革，通過雷達機構(gòu)建模與機電仿真實例，直觀呈現(xiàn)機械與控制系統(tǒng)的動態(tài)交互，強化學生對理論知識的工程化認知。研究驗證了該模式在提升學習自主性、增強實踐應(yīng)用能力方面的顯著效果，并揭示了其在優(yōu)化教學設(shè)計、促進產(chǎn)教融合中的潛力。未來可進一步探索跨平臺仿真資源整合及多場景教學案例開發(fā)，以深化技術(shù)賦能教育的創(chuàng)新路徑。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合仿真；機電一體化；雷達系統(tǒng)；課程教學

中圖分類號：TH122

1 概述

機電一體化是機械技術(shù)在發(fā)展過程中，吸收融入了微電子技術(shù)與計算機技術(shù)而逐步形成并完善的一門新興的融合型學科，是新工科專業(yè)課程體系建設(shè)中不可或缺的構(gòu)成元素［13］。機電一體化相關(guān)技術(shù)的廣泛使用一方面提升了機電結(jié)合產(chǎn)品的機能，另一方面徹底改變了傳統(tǒng)機械工業(yè)的技術(shù)體系、運作方式及管理模式，有力地提升了可生產(chǎn)系統(tǒng)的工作效率與質(zhì)量。在此背景下，眾多高等院校機械類專業(yè)及近機專業(yè)都陸續(xù)開設(shè)了“機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”這門課程［56］，馬鞍山學院也在相關(guān)專業(yè)教學培養(yǎng)計劃的第8學期設(shè)置了該門課程。該課程將前期先修的傳感檢測技術(shù)、自動控制原理、機械設(shè)計、伺服驅(qū)動及計算機技術(shù)等通過系統(tǒng)總體技術(shù)有機地融合在一起，形成一門不斷交叉滲透的密集型工程技術(shù)體系。該課程注重從整體概念組織，將機械、電氣等系統(tǒng)整合為一個綜合體，即從全局角度和系統(tǒng)工程目標出發(fā)，去讓學生掌握通用機電產(chǎn)品的設(shè)計特點，學習一般機電產(chǎn)品的構(gòu)思方法、設(shè)計理論與技術(shù)，從學習機電結(jié)合產(chǎn)品的設(shè)計實例中鍛煉學生的創(chuàng)造思維能力以及開發(fā)全新機電產(chǎn)品的能力［7］。

1.1 “機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”課程特點分析

“機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”作為一門集成性的、系統(tǒng)性的課程，主要具備以下4個特點。

（1）跨學科知識覆蓋面廣。該課程是一門專業(yè)性、綜合性較強的課程，包括機械系統(tǒng)、傳感器檢測、控制理論、電力電子、伺服驅(qū)動等專業(yè)課程的理論知識。

（2）依賴先修課程基礎(chǔ)。不僅要求學生對已經(jīng)修習過的相關(guān)基礎(chǔ)知識掌握較牢固，更需要學生能全面掌握機電一體化技術(shù)所需的理論知識，以便于能從系統(tǒng)層面上認識機電產(chǎn)品。

（3）強調(diào)創(chuàng)新實踐?！皺C電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”課程兼顧理論知識學習的同時，更加強調(diào)鍛煉學生在實踐中設(shè)計開發(fā)的運用能力，在對典型機電產(chǎn)品特性研習的基礎(chǔ)上，著重培養(yǎng)學生開發(fā)全新機電產(chǎn)品的能力。

（4）強調(diào)整體系統(tǒng)設(shè)計。在課程教學中不僅涉及各個單元性技術(shù)，如精密機械技術(shù)、伺服驅(qū)動技術(shù)、傳感檢測技術(shù)等，更是本著機電一體化系統(tǒng)設(shè)計和生產(chǎn)時能夠合理運用的原則，從工程系統(tǒng)的角度出發(fā)，達成機電產(chǎn)品的最優(yōu)設(shè)計。

1.2 “機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學中存在的問題

（1）先修知識薄弱。課程需要先修科目支撐，要求學生構(gòu)建機電技術(shù)理論體系，學習難度較高。學生若對機械原理、電氣理論、PID控制等任一先修學科掌握不足，易產(chǎn)生抵觸情緒，影響教學進程。

（2）教學手段單一。授課以課堂講授為主，教師單向灌輸理論，學生被動接受枯燥內(nèi)容，教學反饋不足，加劇學生的抵觸心理，制約教學質(zhì)量。

（3）實踐環(huán)節(jié)薄弱。課程雖引入典型實例以結(jié)合理論與實踐，但因?qū)嶒炇医?jīng)費、設(shè)備及資源不足，實踐條件欠缺，難以達成能力培養(yǎng)目標。

2 “機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學改進措施

為激發(fā)學生對機電一體化相關(guān)技術(shù)學習的興趣，同時為彌補“機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學中實踐性環(huán)節(jié)對理論知識學習的支撐力度不足。本課程采用多種教學方式相結(jié)合的模式，不僅借助多媒體、視頻動畫等形式，更在理論課堂教學中穿插引入ADAMS—MATLAB聯(lián)合仿真分析，通過虛擬樣機技術(shù)將機電一體化典型設(shè)計案例完整地、漸進性地生動展現(xiàn)出來，讓學生在課堂教學中就能接觸到機電產(chǎn)品是如何設(shè)計出來。本文通過教學實例來闡述如何在“機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學中引入ADAMS—MATLAB聯(lián)合仿真分析［810］。

2.1 ADAMS—MATLAB聯(lián)合仿真簡介

應(yīng)用ADAMS動力學仿真軟件的Controls模塊可將創(chuàng)建的機械系統(tǒng)模型與MATLAB軟件編寫的控制程序有機地接合在一起，從而實現(xiàn)機電系統(tǒng)的聯(lián)合仿真分析。這種聯(lián)合仿真分析的方式有利于機械和控制工程師在建立的同一個樣機模型上進行反復(fù)的聯(lián)合設(shè)計與調(diào)試，直至獲取最優(yōu)的機電產(chǎn)品，大大提升了后續(xù)物理樣機的建造效率。使用ADAMS_Controls模塊與MATLAB控制程序分析軟件完成聯(lián)合仿真分析主要包含4個基本過程。

（1）構(gòu)建ADAMS動力學軟件的機械系統(tǒng)樣機模型。采用ADAMS_Controls模塊進行機電系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析前，需要在ADAMS_View軟件環(huán)境內(nèi)構(gòu)建機械系統(tǒng)樣機模型，也可以向ADAMS_View軟件環(huán)境內(nèi)導入已經(jīng)構(gòu)建完畢的機械系統(tǒng)樣機模型。

（2）確認ADAMS的輸入和輸出變量。通過ADAMS_View或者ADAMS_Solver中的信息載體文件確認進入控制程序的輸入和輸出變量，即輸出為從ADAMS_Controls輸出到MATLAB控制程序軟件的變量，輸入為從MATLAB控制程序軟件返回到ADAMS的變量。

（3）構(gòu)造MATLAB控制系統(tǒng)方框圖。運用MATLAB_Simulink控制程序模塊編寫整個機電系統(tǒng)的控制程序，其中ADAMS_View內(nèi)的機械系統(tǒng)樣機模型被放置到控制程序圖中的一個子模塊中。

（4）進行機電系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析。設(shè)置仿真參數(shù)，對機電系統(tǒng)的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真分析，保存并輸出聯(lián)合仿真結(jié)果。

2.2 機電聯(lián)合仿真分析教學運用實例

傳統(tǒng)的教學模式為教師依照教材中指定的內(nèi)容按部就班地傳授知識點，這種傳統(tǒng)教學模式空洞乏味，學生很難提起學習興趣。在課堂教學中通過ADAMS_View軟件構(gòu)建一個機械系統(tǒng)樣機模型，然后通過MATLAB程序控制軟件構(gòu)造控制系統(tǒng)模型，最后通過ADAMS—MATLAB聯(lián)合仿真分析向?qū)W生實時展示機械系統(tǒng)在執(zhí)行控制程序過程的運動情況。這種引入ADAMS—MATLAB聯(lián)合仿真分析教學模式極大地提升了學生的學習自主性，提高了本課程的教學質(zhì)量。以“機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學中雷達系統(tǒng)為例，探討分析ADAMS—MATLAB聯(lián)合仿真在課程內(nèi)容教學中的具體應(yīng)用。

3 教學應(yīng)用實例——雷達系統(tǒng)

3.1 構(gòu)造雷達機械系統(tǒng)樣機模型

首先，通過ADAMS_View模塊建構(gòu)了如圖1所示的雷達機械系統(tǒng)樣機模型。雷達機構(gòu)主要由方位旋轉(zhuǎn)馬達、方位減速齒輪、方位圓盤、天線支撐桿、仰角軸承及天線等構(gòu)件組成，各構(gòu)件之間通過低副連接。其次，對構(gòu)建的雷達機械系統(tǒng)進行運動學仿真分析，并在課堂教學中向?qū)W生演示雷達系統(tǒng)運動仿真動畫和結(jié)果，使學生熟悉雷達系統(tǒng)工作情況。最后，確認雷達機械系統(tǒng)建模完全正確以后，解除原有已設(shè)置的雷達系統(tǒng)方位角運動，以便于后續(xù)向雷達系統(tǒng)添加控制系統(tǒng)。

3.2 確定ADAMS的輸入和輸出變量

雷達模型機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的輸入和輸出之間滿足如圖2所示的流程關(guān)系。從圖2可知，向雷達的機械系統(tǒng)輸入一個控制力矩（control_torque）變量，則雷達的機械系統(tǒng)向控制系統(tǒng)輸出天線仰角的方位角（azimuth_position）和馬達轉(zhuǎn)速（rotor_velocity）兩個變量。

在驗證雷達機械系統(tǒng)樣機模型輸入和輸出變量無誤后，在ADAMS_Controls模塊中定義輸入和輸出變量，并在目標軟件選項中選擇聯(lián)合仿真分析的控制程序軟件MATLAB。將已經(jīng)定義好的ADAMS_Controls輸入和輸出變量信息存儲在M（MATLAB）文件中，以供后續(xù)聯(lián)合仿真時使用。

3.3 雷達控制系統(tǒng)建模

在構(gòu)造好的雷達機械系統(tǒng)中添加控制系統(tǒng)，完成雷達控制系統(tǒng)建模，建模具體步驟如下。

首先，啟動MATLAB控制程序軟件，并查看檢驗雷達機械系統(tǒng)的輸入和輸出變量是否成功定義。其次，輸入ADAMS_sys指令，查看adams_sub子模塊，并修改子模塊仿真參數(shù)。最后，建立控制系統(tǒng)模型，創(chuàng)建一個新Simulink模塊，根據(jù)雷達系統(tǒng)具體的控制要求選擇相關(guān)控制程序圖形模塊，完成控制系統(tǒng)模型搭建。雷達控制系統(tǒng)如圖3所示。

3.4 雷達系統(tǒng)聯(lián)合仿真分析

所創(chuàng)建的雷達系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型在MATLAB_Simulink環(huán)境下進行仿真，采用龍格庫塔法，將聯(lián)合仿真時間設(shè)定為025s，聯(lián)合仿真類型選擇參數(shù)Variablestep，求解器選定參數(shù)ode45（DormandPrince），完成雷達系統(tǒng)控制程序聯(lián)合仿真參數(shù)設(shè)置。執(zhí)行雷達系統(tǒng)聯(lián)合仿真，MATLAB將控制輸入信息發(fā)送至ADAMS，雷達系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)運動。同時ADAMS向MATLAB傳輸天線仰角的方位角（azimuth_position）和馬達轉(zhuǎn)速（rotor_veloctiy）兩個變量的實時變化信息值。通過這種信息傳遞的方式，實現(xiàn)雷達的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

雷達系統(tǒng)運行過程中，天線仰角的方位角（azimuth_position）變化情況如圖4所示，馬達轉(zhuǎn)速（rotor_veloctiy）變化情況如圖5所示。

結(jié)語

“機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”是一門多學科融合的專業(yè)技術(shù)課，教學內(nèi)容繁雜，對機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等基礎(chǔ)理論理解要求較高，且更偏向于二者的聯(lián)合分析，對部分學生而言晦澀深奧。因此，如何提升課堂教學效果及能夠更好地應(yīng)用于工程實踐是授課教師亟須解決的問題。在“機電一體化技術(shù)基礎(chǔ)”課程教學中引入ADAMS—MATLAB聯(lián)合仿真，可以使抽象復(fù)雜的機電控制理論知識圖形化、清晰化、明確化，極大地增加了學生的學習熱情，提高了教學質(zhì)量，使教學過程更具互動性和新穎性，真正做到了理論知識應(yīng)用于工程實踐的教學目的。

參考文獻：

［1］魏春艷，方益權(quán)，衡孝慶.基于知識形態(tài)的新工科產(chǎn)教融合機理探究［J］.中國高教研究，2022（02）：8994.

［2］王紅雨，于張娜，閆廣芬.新工科背景下工科專業(yè)的調(diào)整、布局及衍生機制：基于33所代表性高校的分析［J］.高等工程教育研究，2021（06）：2430.

［3］盧曉紅，劉海波，劉闊，等.新工科機電課程項目引導式改革必要性及改革方向［J］.教育教學論壇，2019（46）：9698.

［4］袁永偉，李珊珊，王家忠，等.“機電一體化”課程教學改革與實踐［J］.河北農(nóng)機，2019（05）：66.

［5］宇曉明，張斌，封士彩，等.機電一體化“課程思政”的教育探索與教學實踐［J］.中國多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學學報：上旬刊，2020（04）：182183.

［6］何曉東，李花蓮，唐術(shù)鋒.機械電子工程“專業(yè)綜合設(shè)計—畢業(yè)設(shè)計”一年制運行機制探討［J］.內(nèi)蒙古教育，2021（12）：2732.

［7］李海蕓，葉大鵬，邱榮斌，等.“機電一體化”課程移動機器人協(xié)作實驗平臺搭建與探索［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（15）：150153+156.

［8］張文燦.ADAMS/Car與MATLAB聯(lián)合仿真在《汽車理論》教學中的應(yīng)用［J］.科技視界，2016（07）：91+129.

［9］姚莉君，李成剛，張軍.ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真在3自由度并聯(lián)機構(gòu)控制中的應(yīng)用［J］.機械設(shè)計，2012，29（05）：3135.

［10］馬杰.淺談三維軟件與MATLAB聯(lián)合仿真在教學中的應(yīng)用［J］.內(nèi)燃機與配件，2020（11）：274275.

基金項目：基于智能制造導向下機械制圖虛擬仿真實踐基地建設(shè)（項目編號：241105377280656）；9%Cr鋼固態(tài)相變演化機理及殘余應(yīng)力量化表征與控制技術(shù)研究（項目編號：2024AH051786）

作者簡介：李慶萍（1997— ），女，漢族，安徽安慶人，碩士研究生，助教，研究方向：機電控制。