系统实验法在机电一体化实践教学中的应用

摘要：本文阐述了基于系统的实验教学方法之内涵及其优势，给出了系统实验法所基于的机电一体化实验平台，说明了在机电一体化实践教学中如何运用系统实验法。

关键词：系统实验法；机电一体化；综合应用

作者简介：唐中燕（1960-），女，河北保定人，华北电力大学机械工程学院，副教授；韩庆瑶（1953-），男，河北保定人，华北电力大学机械工程学院，教授。（河北 保定 071003）

基金项目：本文系华北电力大学教学改革基金项目“机电一体化实践教学体系的构建与研究”的研究成果之一。

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）34-0139-02

机电一体化技术是一门实践性很强的综合技术。对普通高校机电一体化专业学生来说，机、电方面的知识是密不可分的，而且理论与实践紧密结合。它不仅要求学生有扎实的理论基础，更要求学生能够将理论有效的运用于实践中。从以往的机电一体化实践教学实际情况来看，各门实验课程似乎毫不相干，实验偏重于理论验证，不太重视综合应用，学生对机电一体化专业知识的应用缺乏感性认识，难以掌握解决实际问题的能力。针对上述问题，提出了一种基于系统的实验教学方法，以期在已有实验平台上既要体现出实验的系统性、综合性、实践性，又要体现分层性、可扩展的特点。

一、基于系统的实验教学方法

基于系统的实验教学方法是以一个实际的应用系统为平台，将多门课程中与该系统相关的知识点进行综合运用的一种实验方法。我们通过与传统的实验方法比较就能看到系统实验法之内涵及其优势所在。

1.传统的实验方法有一些不足之处

（1）传统实验法是针对某个知识点，很少有针对某个实际系统的综合性实验，这样其理论和实践结合不够紧密；

（2）传统实验法的实验内容过分强调各部分知识自身的独立性，忽视了将这些知识最后应用到一个具体的实际系统中，使得学生形不成一个完整的机电一体化系统的概念，从系统角度去解决问题的能力不够；

（3）传统实验法常常作为理论课的附属，只针对本课程的知识点，忽略了该课程与其他课程间的联系，使得各门课程相互孤立，缺乏整个教学体系的完整性和系统性。

2.基于系统的实验教学方法的特点及其优势

（1）系统实验法基于一个实际的应用系统，从系统的角度对各课程理论进行补充、深化和发展。通过系统性的实验，学生易于理解系统中各组成部分之间的关系、各自的功能和作用，能够把一个系统中所学知识运用到另一个系统中，做到触类旁通，锻炼了学生的综合能力；

（2）系统实验法在实验内容的设置上紧扣培养目标，根据专业特点与实际应用设置、整合各课程实验。这样学生能直观感受到所学知识的作用和用途；

（3）系统实验法打破了学科间的相互隔离，重于加强渗透交流，有助于学生把握知识的整体性、系统性、连贯性、渗透性，优化了学生的知识结构。

二、机电一体化实验平台的配置

系统实验法的实验过程应立足于某个机电一体化系统。典型的机电一体化系统主要由信息处理与控制、控制信息、检测装置、驱动装置、被控对象及能源等几部分构成，其总体结构框图如图1所示。其中信息处理与控制部分是系统的核心部分，也称为控制器，其功能由软件、硬件共同实现，可基于不同的控制计算机。

机电一体化实验系统是为机械制造及其自动化专业各方向的本科生、研究生学习机电类专业课程开设各种实验。根据人才培养的多层次性和机电一体化技术本身的综合性，系统应该既能完成某些机械类实验、电气类实验、计算机类实验，也能完成较复杂的综合性机电一体化实验。

根据《机电传动控制》、《单片微机原理》、《控制工程基础》、《微机控制技术》、《机电一体化系统设计》、《交直流调速》、《液压传动》等专业课程的教学要求，考虑到机电一体化人才的知识结构应将机械和电子“化”为一体，结合本实验室现有设备，机电一体化实验平台构成如图2所示。该实验平台以图1所示机电一体化系统为基础，采用模块化设计，具有与工业生产中实际机电系统相一致的结构模式和元件。

控制器模块中有两个相对独立的部分：PLC装置与单片机装置。PLC装置除了可供学生学习PLC时做一些基本的实验（如指令实验、简单控制实验）以外，与其他模块配合还可以做综合性的实验。单片机装置也是可供学生学习单片机时做相应的实验（如编程实验、接口实验、简单控制实验）。由于配有输入输出转接口，该装置可以与强电连接，这样与其他模块配合也可以做综合性的实验。

电气控制模块中包括继电器、接触器等常用电器元件，它们本身可进行电器控制实验，也可以作为控制器的输入输出装置参与完成其他综合性实验。电气控制模块中还有步进电机及驱动电路、伺服电机及驱动电路、三相异步电动机、变频器、液压阀与液压缸等常用部件，这些部件作为驱动元件可用于不同的综合控制实验中。

被控对象模块中包括多个被控装置，具有滚珠丝杠、直线导轨等机械部件，有行程开关、光电开关、编码器、液位传感器等器件。这些被控装置可给出不同的控制要求，配合上述两个模块能够实现具体的运动控制功能以及过程控制功能。

三、系统实验法的运用

“机电结合、综合运用”是系统实验法对实验平台的基本要求。由于机电一体化实验平台采用模块化设计，针对性和目的性很强，各模块之间的连接具有很大的灵活性和开放性，所以各模块即可单独完成某个课程中的电类或机类实验，也可互相配合完成复杂的机电一体化实验。这种“积木特性”为系统实验法的实施提供了保证。

根据图1、图2所示，对于不同的被控对象或不同的控制要求，需采用不同的驱动元件、检测元件，所需的控制信息不同，信息处理内容与控制目标也不同。而当被控对象或控制要求不变时，却可采用不同的控制器来设计控制系统。这时尽管控制目标不变，但由于采用不同的控制器，所以设计出来的控制系统是完全不同的。这样教师只给出控制要求即可，学生则根据要求独立设计、灵活组成各种机电控制系统。控制要求的提出是基于系统的，不同课程教师可以提出相同的控制目标，但针对性不同。例如对于每个被控对象的控制系统，《交直流调速》针对的是所用驱动装置工作原理；《机电传动控制》课程针对的是用PLC控制驱动装置；《单片微机原理》课程针对的是用单片机控制驱动装置；《机电一体化系统设计》课程可要求学生将PLC作为控制器完成控制系统的设计；《微机控制技术》课程可要求学生将单片机作为控制器完成控制系统的设计；《控制工程基础》可针对系统的动态、静态性能分析，控制算法的实现。经过这些实验学生就能体会、理解到不同的控制方法可实现相同的控制目的。另外这些控制系统涉及到了步进电机、交直流电机等机电系统中常用驱动装置的控制技术，涉及到了机电传动与液压传动的有关问题，涉及到了各种检测技术、运动控制技术，涉及到了过程控制、开闭环控制、控制算法等概念。所以经过这些实验学生会将不同课程中所学知识联系到一起，认识到它们在实际系统中的作用及如何应用，达到了将各种知识综合于一个系统中的目的。

四、结语

总的来说，基于系统的实验教学方法更适合在机电一体化实践教学中运用。学生在实验时以一个实际的系统为平台，从系统的角度去理解知识点，这样让学生先建立系统整体的概念，更有助于对知识的理解，易于把所学的理论知识应用在实际中。它能够很好的体现出培养目标，能更好地促进教学，有利于培养学生综合实践能力。

（责任编辑：刘丽娜）