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(yè)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(jù)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(xiàn)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(yè)的一門主要課程，液壓傳動涵蓋了數(shù)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(yǎng)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(fā)生的現(xiàn)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(fā)展，虛擬實驗軟件在不斷優(yōu)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(fā)學生的思考，激發(fā)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(jù)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(tǒng)是將教學內(nèi)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(tài)特性實驗，來分析教學與系統(tǒng)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(tǒng)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(diào)整，設計出一個好的虛擬實驗系統(tǒng)，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(tài)試驗。

3.1溢流閥動態(tài)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(shù)。

溢流閥動態(tài)特性試驗的主界面如圖1所示：

從溢流閥動態(tài)特性試驗的主界面我們可以看到溢流閥動態(tài)特性曲線和濾波后特性曲線的對比。從記錄數(shù)據(jù)位置將數(shù)據(jù)導入，通過設定不同的采樣參數(shù)和濾波，得出不同的特性曲線。在溢流閥動態(tài)特性試驗的主頁面左側(cè)，有停止/運行，表示測試是否開始。系統(tǒng)參數(shù)的設定，例如信號電壓、截止頻率、超調(diào)率等都可以在主頁面左側(cè)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(shù)據(jù)讀取。溢流閥動態(tài)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(shù)模塊設置：主要參數(shù)包括（1）采樣率，又稱采樣頻率，即為每秒從外部輸入的連續(xù)信號中提取獲得并組成的離散信號的采樣個數(shù)。（2）采樣數(shù)，顧名思義，就是每次采集的數(shù)據(jù)量。

數(shù)據(jù)分析、處理模塊：在一個虛擬儀器系統(tǒng)中，最重要的部分就是對采集來的數(shù)據(jù)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(tài)特性測試系統(tǒng)主要需要分析得到的就是其動態(tài)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(jù)采集的壓力信號數(shù)據(jù)來計算出來。

濾波模塊：在實驗過程中，因為是軟件系統(tǒng)，不管是輸出還是輸入都會產(chǎn)生噪聲影響，這就需要降低噪聲，達到高精度的數(shù)據(jù)?？梢圆捎脼V波器或者軟件程序消除噪聲，根據(jù)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(shù)據(jù)捆綁模塊：該模塊從上到下分別使用了捆綁函數(shù)、創(chuàng)建數(shù)組函數(shù)以及數(shù)值至小數(shù)字符串轉(zhuǎn)換函數(shù)。由于捆綁函數(shù)及創(chuàng)建數(shù)組函數(shù)在前面已經(jīng)介紹過，現(xiàn)在主要介紹數(shù)值至小數(shù)字符串轉(zhuǎn)換函數(shù)的功能實現(xiàn)。

曲線、表格生成模塊：由于前面已經(jīng)將數(shù)據(jù)進行了捆綁及轉(zhuǎn)換字符串等相關操作，這一模塊只需要創(chuàng)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(shù)據(jù)存儲表格的表格控件，這里使用了數(shù)字至小數(shù)字符串轉(zhuǎn)換函數(shù)，是為了將采和計算出的數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為寬度為、精度為的小數(shù)，并以字符串的形式放入表格中。如果以后要將這些數(shù)據(jù)寫入表格中去，還需要使用分數(shù)指數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換函數(shù)重新轉(zhuǎn)換回來。

實驗報告模塊：該模塊用以根據(jù)實驗數(shù)據(jù)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(shù)，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(nèi)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(nèi)容。

復位模塊：該模塊用以將采集的數(shù)據(jù)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(zhí)行復位操作時，條件選擇結構為真，此時，結構內(nèi)部用以生成特性曲線和數(shù)據(jù)表的各種數(shù)據(jù)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(tǒng)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(lián)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(yè)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(jù)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(shù)的設定和數(shù)據(jù)處理，得到不同的實驗效果，而對參數(shù)的調(diào)整和數(shù)據(jù)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