機械工程研究生綜合實驗平臺建設與實踐

谷立臣， 劉沛津， 孫 昱， 許 睿

(西安建筑科技大學 機械電子技術研究所， 陜西 西安 710055)

實驗室創新

機械工程研究生綜合實驗平臺建設與實踐

谷立臣， 劉沛津， 孫 昱， 許 睿

(西安建筑科技大學 機械電子技術研究所， 陜西 西安 710055)

針對目前機械工程專業研究生教學及科研訓練培養過程中實驗環節缺乏且系統性、專業性不強等問題，首先分析了建設研究生專業綜合實驗平臺的必要性，然后提出以專業領域基礎理論為主線構建突出專業核心技術綜合實驗平臺的思路和方法，最后通過機電液系統綜合實驗平臺的研發過程、功能特點及應用實例說明了以專業領域基礎理論為主線構建突出專業核心技術綜合實驗平臺的可行性和實用性。

機械工程； 綜合實驗平臺； 專業基礎理論； 專業核心技術； 機電液系統

眾所周知，實驗技能和實際操作能力的訓練是理工科研究生培養的重要環節，同時，沒有良好的實驗環境,是難以產生創造性成果的。英國科學家培根說過：“沒有實驗，便沒有科學?！遍L期通過實驗探索自然奧妙，并取得重大成功的丁肇中教授說：“做實驗確實非常重要，因為任何理論沒有實驗證明，是沒有用的。實驗可以推翻理論，理論絕對不能推翻實驗?！比欢覈咝Ｔ谘芯可虒W工作中普遍存在著重理論、輕實驗的現象,從而導致高校(特別是一些地方普通高校)在實驗室、儀器設備等硬件設施建設方面投入不足，實驗內容針對性不強,實驗指導教師缺乏,尤其是近年來研究生大規模擴招后,更使得高校的實驗教學資源捉襟見肘?，F有研究生實驗教學方式共同的缺陷是實驗教學體系不健全，實驗教學內容不系統，難以實現研究生綜合實踐能力的培養目標[1]。

1 研究生教學的特點及對建設研究生綜合實驗平臺的思考

研究生教學與本科生教學的最大區別除了必要的基礎教學外，專業實踐活動是教學中的重要環節，包括學位課程學習的實驗教學、研究生參與和進行課題研究所必須進行的實(試)驗工作以及研究生為了撰寫學位論文等所進行的實驗工作等。培養高素質的研究生，關鍵要培養研究生的創造性素質和勇于實踐與合作的精神，實驗裝備發揮著至關重要的作用。目前我國的研究生教育越來越重視實踐性和綜合性，甚至有些高校還提出了縮短理論課講授時間，強化實驗能力訓練，嚴格論文要求以及招收專業學位研究生等改革措施。顯然，讓研究生“驗證理論、掌握實驗操作技能”的實驗教育方式已經落伍,現代實驗教學必須在傳統的觀察性、操作性與分析性實驗基礎上，向設計性、綜合性、系統性與研究性的實驗內容轉變,而轉變的前提是要求實驗內容及其裝備要跟上時代發展的步伐。因此，通過建設專門的學科專業實驗平臺，提供更加全面、系統和規范的實踐能力培養內容、過程和環境，形成教學科研有機結合更為完善的實踐能力培養體系，是當前研究生教育發展的迫切需求[2-4]。

機械工程專業實驗(環節)是大學生進入研究生階段后接受系統實(試)驗方法和技能訓練的開端，是驗證已知科學方法的必要操作；專業實(試)驗是高年級研究生接受產品性能及可靠性檢驗技能訓練的開端，是探索未知科學方法的必要實踐。目前我國大多數高?，F有的機械學科研究生專業實驗平臺基本上是在科研團隊學科特色的基礎上形成的，實驗設備大多數歸屬導師名下管理和使用，這就導致各個導師和科研團隊之間實驗資源使用的相對獨立，沒有形成很好的協作機制，實驗資源不能很好地共享[5]。這樣的實驗平臺具有專用性強、學術水平高的特點，但綜合性、交叉性低，集成創新能力有限。作者領導的研究團隊在完成2項國家自然科學基金項目后及時把取得的研究成果、國內外研究動向以及科學方法引進課堂和實驗室，經過不斷地豐富、充實和提升，最終建成了一個具有多學科共享，綜合性、設計性及實用性強的研究生專業綜合實驗平臺(下稱實驗平臺)。經過2年多的運行實踐證明：該實驗平臺不僅為諸多研究方向的研究生提供了自由做實驗的空間和設備，還可以讓學生切實感受到通過互相合作創造性地開展科研工作的重要意義，既提高了學生的科研水平，也培養了團隊合作精神。為此，作者針對目前機械工程專業研究生實踐環節中有待改進的地方，將我們在科研活動中建設研究生綜合實驗平臺的思考及實踐過程進行系統論述，旨在促進研究生教學改革進程、強化研究生工程意識及動手能力、培養勇于實踐與合作的精神[6-11]。

2 結合機械學科研究特點及發展趨勢建設研究生綜合實驗平臺

建立在牛頓力學基礎上的機械科學在經歷了數百年的輝煌以后，其內涵正在發生深刻變化。機械工程學科是自然科學與工程行為的橋梁,它與相關自然科學、工程科學的交叉融合，使其內涵正在往復雜機電系統設計制造集成科學的方向發展，這已成為當今機械與制造科學研究的重要特點[12]。將“機械設計”提升到系統集成科學的層面，擴大與深化了設計的科學內容，如界面科學、非線性科學、信息傳遞科學等，由傳統的注重“設計方法”變革為設計“機械”載有的物理過程如何經集成演化產生機械功能；將模塊化設計變革為“物質流—能量流—信息流全系統協同設計”。從集成科學的高度設計機電裝備的新思想必將大力促進功能更為強大、性能更加優越的各類機電裝備的發展。概括地說，現代機械工程學科的內涵是以自然科學為基礎，研究人造的復雜系統與制造過程的結構組成、能量傳遞與轉換、構件與產品的幾何與物理演變、系統與過程的調控、功能形成與運行可靠性等；用理論仿真與實驗求證相結合的過程構造復雜系統設計與制造工程中共性和核心技術的基本原理和方法是其主要研究特點。因此，機械學科研究生專業實驗平臺應能體現出復雜系統設計與制造工程中某些共性科學問題以及核心技術的綜合特性。

我國機械工程一級學科一般下設機械設計及理論、機械電子工程、機械制造及其自動化、車輛工程等二級學科(專業)，機械系統動力學正反問題是這些二級學科(專業)的共性科學問題之一。機械系統的動力學建模、分析、設計和控制的一般理論和方法是機械動力學學科的主要研究范疇, 其總體發展趨勢是高速、高精度、非線性、多尺度和多場耦合系統的動力學,關鍵共性技術主要有：

(1) 系統的動力學建模、分析、設計和控制方法；

(2) 多領域建模與多學科優化理論與方法；

(3) 系統動力學分析方法與動態性能匹配技術；

(4) 系統可靠性設計理論與方法；

(5) 系統服役性能監測、故障診斷與預示技術。

“現代機電裝備在不斷追求高效率、高精度、高品質和極限功能的進程中，催生了一系列結構復雜、工況極端、信息融通、高效節能和精確穩定的復雜機電系統。未來的復雜機電系統將不斷提升多學科知識融合、高新技術集成的水平[12]?！睓C械工程研究生專業實驗平臺建設應該考慮這一發展趨勢，讓研究者在平臺上實踐復雜機電系統的功能生成與多物理過程耦合機制，尋找和發現復雜機電系統集成、融合與演變過程的規律，特別是從系統科學的角度去研究“融合集成效應”，為創造功能極端強化、技術性能趨于極限的復雜機電裝備提供系統集成設計的科學理論與方法。

機械專業研究生實驗平臺應該由重大工程裝備典型結構抽象而來。復雜機電系統客觀上以裝備存在，有實效的研究應該結合裝備來開展，因此研究生實驗平臺的建設要面向國家經濟建設與社會發展中重要裝備，如：空天運載工具、高速列車、大型艦船、連軋連鑄機、工程車輛、機器人、數控機床、電子制造裝備，以及火電、水電、核電機組等，并從中提煉出共性理論與核心技術作為實驗研究內容。

3 機電液系統動力學正反問題實驗平臺建設與實踐

工程建設、冶金、礦山、國防、材料等領域裝備的大型復雜機電系統一般都采用液壓傳動與控制技術，如連軋機、連鑄機、大型盾構掘進機、采煤機、重型操作裝備、壓力機、柔性制造系統、火炮與車輛、大型船舶、工程機械等無不是集機、電、液和控制于一體的多能域耦合系統，為突出這一技術特點，人們常稱之為機電液一體化系統，但技術范疇仍然屬于復雜機電系統。

機電液系統設計理論中強調結構，并從系統結構角度來分析系統的功能和動力學行為。設計中分析系統動力學正問題，即假設系統負載及驅動方式已知，分析其行為模式。

機電液一體化系統動力學正問題的研究主要涉及系統建模、分析、設計和控制的一般理論和方法。由于需要抽象和假設，系統實際運行時的行為模式往往達不到預期的要求。由于系統輸出的行為模式是由系統內部的信息反饋機制決定的，若要系統達到理想行為模式就必須對系統內部動態信息實施在線測量、分析、診斷，利用控制手段來校正系統的行為模式，即利用在線測量的反饋信息校正系統的動力學行為，以期達到要求，這就是動力學反問題，它主要涉及系統動態信息的測量與分析，系統行為的識別與控制。

由此可以看出，復雜機電系統的共性科學問題，首先是通過尋找系統的較優結構，來獲得較優的系統行為，然后再通過在線測量、診斷與反饋控制達到最優的系統行為。正反問題互相影響的機理分析構成了復雜機電系統動力學基本理論體系，其核心技術是系統建模、分析、設計，并采用多源動態信息測量與分析技術、系統診斷與控制技術、常規研究方法、建立系統動力學模型、利用仿真軟件在計算機上實現對真實系統的仿真，再通過實驗裝置檢驗仿真結果的科學性，用理論與實際相結合手段分析系統的結構、功能和行為之間的動態關系、影響機理，以便尋求較優的系統結構和功能并形成設計的一般理論和方法。

作者在2008年完成了一項國家自然科學基金面上項目“基于多源信息融合的液壓動力系統監測、診斷和故障控制理論研究，50575168”，主要從多源信息融合與故障控制角度研究機電液系統動力學反問題。2008年結題時，研究團隊不僅在機電液系統動力學研究方面取得了多項成果，同時還建成了一套適合研究生教學及論文研究需要的綜合實驗系統[13-14]。在其后的研究生培養過程中，我們又對該實驗系統進行了不斷地豐富、充實和提升，相繼開發了液壓系統變轉速驅動及控制技術、典型工況數字化模擬加載技術、系統功率動態匹配及圖示化方法、基于電參量信息融合的狀態監測與故障診斷技術等多項科研成果：共獲得4項發明專利；發表了20多篇學術論文；培養了2名博士，8名碩士；自主開發出8個綜合性和設計性實驗項目，涉及機械動力學，流體傳動與控制，傳感技術與信號處理，控制理論與方法，設備狀態監測與故障診斷等多門研究生學位課程的綜合實驗內容。

由于我們堅持把科學研究成果積累創建為應用基礎研究平臺，既突出了學科特色，又將教學和科研實驗條件提升到了一個更高的層次。2012年獲準了一項國家自然科學基金面上項目“基于電功率圖形分析的機電液系統耦合特性及故障演化機理研究(51275375)”，2013年又獲準了一項國青基金項目“基于全息電功率圖形分析的機電液系統在線故障診斷方法研究(51305326)”。這2個項目都是以我們在該實驗平臺上開發的電功率流分析方法為研究基礎，從多能域耦合角度研究機電液系統動力學的正反問題。目前該平臺已經成為我們研究所全體師生不可或缺的教學及科研資源，它的主要功能和特點可以概括如下。

3.1 采用機電液一體化系統設計

實驗平臺包括動力、電氣、液壓、機械、控制、潤滑以及載荷譜模擬等物理子系統。用永磁伺服電機變速驅動定量油泵作為動力源，通過液壓油控制油馬達及其負載的運動行為模式，其運動行為不僅與系統結構有關，還受負載工況的影響；平臺利用電液控制模擬典型負載工況，并在線測量系統的動力運動信息，反饋給控制器，實現油馬達運動行為的典型模式。利用該平臺，研究生不僅可以實驗模擬系統的結構、功能和行為之間的動態關系、影響機理，以便尋求較優的系統結構和功能，并驗證設計的一般理論和仿真方法,還可以針對復雜機電系統一些共性基礎科學問題開展科學研究。

3.2 研究生可以自選實驗項目

實驗平臺綜合了“流體傳動與控制”、“傳感器技術”、“機械信號處理”、“現代控制理論”、“機電系統動力學”、“機械故障診斷技術”等多門學位課程的基礎理論與核心技術，以強調專業基礎課的寬廣性、交叉性和綜合性為目的，目前開發了5個實驗內容，作為研究生的規定實驗項目。另外以實際應用為主線，強調專業知識結構的設計性,突出研究方向，開發了研究生自選實驗內容,分析并設計了各實驗項目間的互補和互動內容。

3.3 彌補了過去實驗的不足

解決了學術型，尤其是專業學位研究生培養中實驗環節缺乏且系統性、專業性不強的難題，能滿足研究生教學實驗、論文實驗、課外活動和教師科研的需要。

該實驗平臺結合了機、電、液、計算機測控等技術為一體，涉及變轉速工況下機電液系統建模、分析、設計、監測、診斷和控制的一般理論和方法的多學科融合，具有學科的綜合性、交叉性和前沿性特點。經過2年時間的運用，課題組的教師和研究生一致認為，結合學科特色建設實驗平臺不僅能有效緩解研究生實踐環節不足的現狀，從長遠看還會在以下幾方面發揮重要作用。

(1) 目前研究生的教學及科研活動中體現學科寬廣性、綜合性及設計性的內容少，仿真計算多、動手實踐少，導致研究生在學習中過分依賴教科書、論文，甚至網絡，這是阻礙學生提升學習興趣、解決實際問題能力的短板教學環節。實驗平臺有助于培養學生用綜合性專業知識分析科學現象、闡述研究方法、總結科學結論的能力，給研究生和指導教師提供了探討科學問題的交流平臺。

(2) 實驗平臺建設有助于探討與企業聯合培養人才的互動互補教學機制，為如何建設校內實踐基地提供經驗。目前國內機械工程專業學位研究生實踐環節一般選擇以下幾種模式：由校內導師結合自身所承擔的科研課題，安排學生專業實踐環節；利用企業的科研資源，由企業導師負責安排相應的專業實踐環節；研究生結合本人的就業去向，自行聯系企業實踐單位；依托學?；蚺囵B學院與企業建立的研究生聯合培養基地、專業實踐基地或研究生企業工作站。

我們在專業學位研究生的培養中采用了校內校外2個實踐模塊。校內實踐模塊主要依賴實驗平臺，重點培養研究生在進入企業前能用綜合性專業知識分析技術難題、裝備結構原理、標準規范，以及闡述研究方法、總結科學結論的能力；校外實踐模塊主要依賴企業在新技術、新工藝、新設備、新材料、新產品開發以及技術改造方面的優勢，要求研究生在了解企業產品設計方法、制造工藝以及標準規范的基礎上，能針對企業需求提出碩士論文研究內容和技術路線的能力，校內校外2個實踐模塊具有互補和互動機制。由于研究生在進入企業前已經有針對性地訓練了用綜合性專業知識分析技術難題的能力，進入企業后有利于研究生獨立分析產品設計方法和制造工藝，更有利于訓練研究生返校后按照企業標準規范闡述研究內容、驗證和總結科學結論能力。專業學位研究生培養體系如圖1所示。我們正在探索校內導師側重理論知識和技術方法指導，校外導師則側重于職業道德、專業技能及實踐工作能力的互補互動培養機制；雙導師共同承擔課程實踐過程、項目技術研究、成果共享的合作模式。

圖1 專業學位研究生培養體系鏈示意圖

4 研究生綜合實驗平臺建設實踐總結

4.1 構建突出專業核心技術的實踐教學體系

以專業領域基礎理論為主線，構建突出專業核心技術的實踐課程教學體系。任何專業都可以提煉出能反映該專業領域基礎理論及核心技術的學位課程，將多門專業學位課程的實踐環節集成于同一綜合實驗平臺，有利于學科專業課程的交叉融合和相互支撐，使學生更能深刻理解課程內容及綜合應用。建議以研究生實際應用和職業需求為目標，制定模塊式實驗內容，開發綜合性實驗項目，構建實驗培訓軟硬件系統，制定實驗考核方法，重點研究各模塊間的互補和互動機制、突出專業研究方向。

4.2 構建體現機械學科特點的綜合實驗平臺

機電液系統綜合實驗平臺能充分體現機械學科的寬廣性、綜合性、交叉性、設計性和實用性的特點。我們開發的機電液系統綜合實驗平臺包括動力、電氣、液壓、機械、控制、潤滑以及負載等物理子系統，可以開展機電液系統動力學、物質流—能量流—信息流協同設計、復雜系統多領域建模與多學科優化等共性科學問題的實驗研究，能再現并驗證前述關鍵共性技術在復雜機電系統中的綜合應用。

(1) 系統的動力學建模、分析、設計和控制方法；

(2) 多領域建模與多學科優化理論與方法；

(3) 系統動力學分析方法與動態性能匹配技術；

(4) 系統可靠性設計理論與方法；

(5) 系統服役性能監測、故障診斷與預示技術等的應用。

4.3 科研成果轉化為實驗教學內容

科研成果轉化為綜合性實驗教學內容是我國普通高校解決研究生實驗條件不足、水平不高的有效途徑。隨著科學技術的飛速發展，實驗的內容、方法和手段也會不斷地發生變化，如果專業實驗課內容僅僅局限于課本，不能及時進行更新和變化，培養出的學生將不能適應現代科學技術發展的要求。

高校中的科研活動是具有較高學術水平的教師在本學科及交叉學科的更深層次的研究和探索活動，每一個科研課題的確立和完成都預示著要探索未知和取得前所未有的科研成果。我們將國家自然科學項目取得的科研成果轉化為研究生專業實驗平臺的實踐過程證明：高校教師在開展高水平科研工作并取得高水平研究成果的同時，若及時把自己的研究成果開發成新的實驗或實驗設備，把自己科研工作的新進展、國際上研究領域的最新內容及時補充到課堂上、教材里、實驗中，使教學內容得到補充和更新，再將開發綜合、創新型實驗項目直接和開展的科研工作掛鉤，不僅有利于升級實驗條件、培養研究生的創新思維和動手能力，還能為課題組申報高水平科研項目、培養高水平師資隊伍奠定堅實基礎。

4.4 構建校內外互動互補的實踐教學模塊

針對提高專業學位研究生實踐能力培養問題，提出構建校內校外具有互動和互補機制實踐教學模塊的設想。理工科研究生專業實驗的教學重點是突出實驗的專業思想和理論與實際的聯系，因此專業學位研究生的培養要按循序漸進的原則，在進入企業前通過校內實驗平臺的訓練掌握必要的實(試)驗方法以及相應的軟硬件使用技能，并具備一定的專業知識和分析問題的能力，這樣有助于研究生在企業從事新技術、新工藝、新設備、新材料、新產品研制開發實踐中提出工程難題和關鍵技術作為自己的研究重點。在專業學位研究生培養全過程中應始終營造一種進行科學實驗和產品試驗的環境和氛圍，強調建模仿真與實際求證相結合的分析方法，這樣有助于推進從注重知識學習轉變為知識學習和能力訓練并重、從注重考試成績轉變為解決實際問題能力的研究生培養模式改革。

References)

[1] 張建宇,李羽讓. 以學科實驗平臺為基礎構建研究生公共實驗教學體系的構想與實踐[J]. 學位與研究生教育，2012(3):33-35.

[2] 張淑林,陳偉. 集中資源優化組合建設研究生公共教學科研實驗平臺[J].研究生教育研究,2011(2)：1-5.

[3] 朱靜. 學科建設離不開實驗平臺建設[J]. 實驗室研究與探索,2004，23(2):1-2.

[4] 李忠新,左建華. 依托實驗教學中心進行學科基礎實驗平臺系統規劃與建設[J]. 實驗技術與管理,2014，31(1):131-134.

[5] 向欣,王永驥,趙金. 控制學科專業綜合實驗與創新平臺的建設[J]. 實驗技術與管理,2008，25(2):122-124.

[6] 賈永峰, 谷立臣. 模型與條件PID補償的永磁伺服電機驅動液壓源流量控制[J]. 機械工程學報, 2014,50(8)：197-204.

[7] 賈永峰, 谷立臣. 永磁同步電機驅動的液壓動力系統設計與實驗分析[J]. 中國機械工程, 2012(3):286-290.

[8] 賈永峰, 谷立臣. 伺服驅動定量泵的流量壓力軟測量方法[J]. 機械設計, 2014(4)：18-22.

[9] 鄭德帥, 谷立臣, 賈永峰. 基于AMEsim的電液負載模擬系統[J]. 機械設計與研究, 2013,29(2):97-100.

[10] 谷立臣, 賈永峰. 永磁伺服電機驅動定量泵流量、壓力間接測量系統:中華人民共和國國家知識產權局,201210124031.9[P].2012-04.

[11] 谷立臣, 賈永峰.永磁伺服電機驅動的節能型液壓動力源:中華人民共和國國家知識產權局,201010259684.9[P].2010-08.

[12] 國家自然科學基金委員會工程與材料科學部.機械工程學科發展戰略報(2011—2020年)[M].北京：科學出版社，2010.

[13] 谷立臣,劉沛津,陳江城.基于電參量信息融合的液壓系統狀態識別技術[J].機械工程學報， 2011,47(24):141-150.

[14] 賈永峰. 永磁伺服電機驅動的液壓動力系統性能及測控技術研究[D].西安:西安建筑科技大學，2013.

Construction and practice of comprehensive experimental platform ofpostgraduate students of mechanical engineering

Gu Lichen, Liu Peijin, Sun Yu, Xu Rui

(Research Institute of Mechanical and Electronic Technology, Xi’an University of Architectureand Technology, Xi’an 710055, China)

In view of the problems of lacking experimental procedures and less systematic and professional problems during the process of teaching and scientific research training for the mechanical engineering graduate students, the necessity of establishing professional comprehensive experimental platform for graduate students is analyzed in the first place. Secondly, it puts forward research mentality and technique about building outstanding professional core technology comprehensive experimental platform, which is based on professional basic theory. Eventually, the feasibility and practicability of building comprehensive experimental platform are illustrated by means of the research and development process, functional characteristics and application examples of mechatronic and hydraulic system comprehensive experimental platform.

mechanical engineering; comprehensive experimental platform; professional basic theory; professional core technology; mechatronic and hydraulic system

2014- 11- 04

國家自然科學基金委資助項目(51275375)；校級研究生重點教改項目(JG011314及JG011217)

谷立臣(1956—)，男，陜西西安，博士，教授，博士生導師，西安建筑科技大學機械電子研究所所長，主要從事機電一體化、設備故障診斷等研究和教學工作.

E-mail：gulichen@126.com

G643；G642.423

A

1002-4956(2015)5- 0016- 05