自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 艷 朱麗娟 陳 杰

摘 要:為解決我院自動(dòng)控制原理實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題,提出基于虛擬儀器的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì),用軟件模擬實(shí)際硬件的功能,使系統(tǒng)操作方便。既可以節(jié)約成本,改善現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件,又可以提高自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞:虛擬儀器 自動(dòng)控制 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

“自動(dòng)控制原理”是電氣工程專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課,也是一門(mén)理論性較強(qiáng)的課程,但它來(lái)源于工程技術(shù),最終目的是回到工程實(shí)際中去指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試,具有濃厚的工程背景。因此各個(gè)高校對(duì)該門(mén)課程的實(shí)踐教學(xué)都很重視,它是一門(mén)理論性、實(shí)踐性較強(qiáng)的工科專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課,實(shí)踐環(huán)節(jié)對(duì)于學(xué)生理解與掌握課程中抽象的理論概念起著至關(guān)重要的作用。但是隨著高校的擴(kuò)招,相對(duì)于越來(lái)越多的學(xué)生數(shù)來(lái)講目前自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在一系列問(wèn)題,例如實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地?cái)?shù)量有限,實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化嚴(yán)重以及嚴(yán)重缺乏實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師等。針對(duì)實(shí)踐教學(xué)中出現(xiàn)的種種問(wèn)題,各個(gè)高校都在尋求解決的辦法,以虛擬儀器為基礎(chǔ)的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。

我校自2006年為電子信息工程專(zhuān)業(yè)02級(jí)的學(xué)生開(kāi)設(shè)這門(mén)課以來(lái),由于種種原因,自控原理實(shí)驗(yàn)還沒(méi)有開(kāi)設(shè),借鑒其他高校的情況,考慮用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)代替實(shí)驗(yàn)室,用軟件模擬實(shí)際硬件的全部功能。希望解決目前自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)中的一些問(wèn)題,在一定程度上提高目前“自動(dòng)控制原理”實(shí)踐教學(xué)效果。

一、自動(dòng)控制原理實(shí)踐教學(xué)的現(xiàn)狀

1.電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)

電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)是: 強(qiáng)弱電結(jié)合, 電工技術(shù)與電子技術(shù)結(jié)合, 軟件與硬件結(jié)合, 元件與系統(tǒng)結(jié)合。專(zhuān)業(yè)面寬, 既具有電氣工程方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技能, 又有自動(dòng)化和信息技術(shù)方面的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能, 可以使學(xué)生得到電工電子、信息控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)方面的基本訓(xùn)練。電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是: 培養(yǎng)在電氣工程、自動(dòng)化、電力電子技術(shù)、監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化儀表、電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域內(nèi)能夠從事工程設(shè)計(jì)、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)運(yùn)行、研制開(kāi)發(fā)等方面的高級(jí)工程技術(shù)人才[3]。電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)具有非常廣闊的工程實(shí)際應(yīng)用背景和應(yīng)用前景, 該專(zhuān)業(yè)的畢業(yè)生必須具備一定的工程實(shí)際應(yīng)用能力。由于目前我國(guó)企業(yè)和科研單位一般不具備對(duì)大學(xué)畢業(yè)生進(jìn)行再培訓(xùn)的條件。所以, 大學(xué)應(yīng)當(dāng)為學(xué)生提供實(shí)踐訓(xùn)練的機(jī)會(huì), 使畢業(yè)生能夠在某一專(zhuān)業(yè)方面具有較強(qiáng)的實(shí)際工作能力。因此, 探索新形勢(shì)下電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生工程應(yīng)用素質(zhì)的培養(yǎng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.自動(dòng)控制原理實(shí)踐教學(xué)改革

我校物理科學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院,從1999年設(shè)置電子信息工程專(zhuān)業(yè),一開(kāi)始學(xué)院將專(zhuān)業(yè)方向定位于偏弱電方向,開(kāi)設(shè)了一系列的相關(guān)課程,建設(shè)了多個(gè)實(shí)驗(yàn)室;主要有模擬電子線路實(shí)驗(yàn)室、數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)室、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室、電工實(shí)驗(yàn)室、單片機(jī)原理實(shí)驗(yàn)室、通信原理實(shí)驗(yàn)室、信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室、高頻電子線路實(shí)驗(yàn)室、家用電器實(shí)驗(yàn)室、數(shù)字信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)室等十多個(gè)實(shí)驗(yàn)室。后來(lái)隨著師資力量的加強(qiáng)以及適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展的需要,對(duì)原有的專(zhuān)業(yè)模式進(jìn)行改革探索,逐漸形成了以電子信息工程和電氣自動(dòng)化兩個(gè)方向?yàn)橹鞯姆菐煼秾?zhuān)業(yè)。

我校從02級(jí)學(xué)生開(kāi)始開(kāi)設(shè)了“自動(dòng)控制原理”這門(mén)電氣工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)必修的基礎(chǔ)課,實(shí)驗(yàn)室方面加大投資新建了PLC實(shí)驗(yàn)室、電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)室、過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室等。但是還有一些實(shí)驗(yàn)室未能付與實(shí)現(xiàn)。就自動(dòng)控制原理這門(mén)課程來(lái)講,各個(gè)高校非常強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)課程的重要性,但是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的一些問(wèn)題也比較突出。高校實(shí)驗(yàn)室常用的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)儀器主要是模擬實(shí)驗(yàn)裝置,這樣的實(shí)驗(yàn)室成本高,儀器耗損大,重復(fù)利用率低,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)學(xué)科發(fā)展。

控制理論學(xué)科從深度和廣度都在不斷向前發(fā)展,隨著計(jì)算機(jī)和測(cè)試技術(shù)的發(fā)展,以計(jì)算機(jī)為核心的測(cè)試方式正在沖擊著傳統(tǒng)測(cè)試設(shè)備,進(jìn)而影響著現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué),因此本課程如何及時(shí)吸收控制領(lǐng)域的新成果、新技術(shù)、擯棄舊的認(rèn)識(shí),已顯得迫在眉睫。

二、基于虛擬儀器的自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.虛擬儀器的特點(diǎn)及組成

虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是利用軟件和硬件的結(jié)合,取代傳統(tǒng)的常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備,在計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行模擬、仿真各種實(shí)驗(yàn)的技術(shù)。它是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)。虛擬儀器技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)技術(shù)(CAI)、多媒體計(jì)算機(jī)技術(shù)(MPC)等發(fā)展的結(jié)果,廣泛應(yīng)用于科學(xué)和生產(chǎn)領(lǐng)域[4]。

虛擬實(shí)驗(yàn)室最早由美國(guó) Unversity of Virginia 的 William Wolf 教授提出,描述一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實(shí)驗(yàn)室環(huán)境[5]。目前,虛擬實(shí)驗(yàn)室在發(fā)達(dá)國(guó)家己十分普及。許多發(fā)達(dá)國(guó)家的高校已經(jīng)把MATLAB與相關(guān)課程進(jìn)行了整合,為教學(xué)帶來(lái)了極大的靈活性和便利性。

一個(gè)最基本的虛擬儀器程序由3部分組成:人機(jī)對(duì)話的前面板、作為源代碼的數(shù)據(jù)流框圖和圖表/連接端口,按功能分為3個(gè)部分:信號(hào)采集與控制,數(shù)據(jù)分析處理,測(cè)試結(jié)果的表達(dá)。

2.虛擬儀器程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言

進(jìn)行虛擬儀器開(kāi)發(fā),通?？梢圆捎脙煞N編程方法進(jìn)行軟件編程。一種是傳統(tǒng)的方法,采用高級(jí)語(yǔ)言如VC++,VB,Delphi等編寫(xiě)儀器軟件;另一種是面向儀器和測(cè)控過(guò)程的圖形化編程方法,如NI公司的LabVIEW, MATLAB,這些語(yǔ)言很適合虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì),由此開(kāi)發(fā)出來(lái)的教學(xué)軟件可以設(shè)計(jì)

成Windows程序風(fēng)格,使教師和學(xué)生更容易操作和應(yīng)用[6]。LabVIEW建立在易于使用的圖形數(shù)據(jù)流編程語(yǔ)言——G語(yǔ)言上,簡(jiǎn)化了過(guò)程控制和測(cè)試軟件的開(kāi)發(fā)。但是在對(duì)各種算法的支持方面,LabVIEW的工具箱非常有限,這就限制了大型應(yīng)用程序的快速開(kāi)發(fā)。而MATLAB以強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能、大量穩(wěn)定可靠的算法庫(kù),為數(shù)學(xué)計(jì)算工具方面事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)[7]。但MATLAB也有不足之處,例如界面開(kāi)發(fā)能力較差,并且數(shù)據(jù)輸入、網(wǎng)絡(luò)通信、硬件控制等方面都比較繁瑣。因此LabVIEW通過(guò)ActvieX自動(dòng)化技術(shù)與MATLAB進(jìn)行混合編程,達(dá)到了利用MATLAB優(yōu)化算法庫(kù)的目的。將LabVIEW與MATLAB有機(jī)結(jié)合,是一條開(kāi)發(fā)智能虛擬儀器的有效途徑。

3.自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

根據(jù)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱的要求,自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)室共設(shè)計(jì)了十個(gè)實(shí)驗(yàn),內(nèi)容涉及線性系統(tǒng)時(shí)域分析、線性系統(tǒng)的根軌跡、線性系統(tǒng)頻域分析、線性系統(tǒng)串聯(lián)校正、離散系統(tǒng)分析和非線性系統(tǒng)分析。從實(shí)驗(yàn)難易層次上可以分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),這樣學(xué)生可以根據(jù)自身學(xué)習(xí)情況選擇適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn),促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)習(xí)。在LabVIEW上設(shè)計(jì)的系統(tǒng)前面板如下圖所示。對(duì)應(yīng)的后面板程序通過(guò)ActvieX技術(shù)與MATLAB進(jìn)行混合編程,利用MATLAB編程方便的特點(diǎn)完成每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)計(jì)劃兩年內(nèi)完成,所有的實(shí)驗(yàn)可以在計(jì)算機(jī)上選擇進(jìn)行,后面系統(tǒng)完善以后同學(xué)們可以在網(wǎng)絡(luò)上選擇感興趣的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,并且可以實(shí)時(shí)地與指導(dǎo)教師交流實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題。

三、結(jié)束語(yǔ)

為適應(yīng)自動(dòng)控制原理實(shí)踐教學(xué)改革的需要,用虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)室,用軟件模擬實(shí)際硬件的全部功能,節(jié)約成本,可以提高目前“自動(dòng)控制原理”教學(xué)效果,加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解,提高動(dòng)手能力,鍛煉發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。在新的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的操作更加方便省時(shí),單位學(xué)時(shí)內(nèi)所能完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容增多了,提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。同時(shí)把軟件又是儀器的概念引入到了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,而不是單一的程序仿真。實(shí)驗(yàn)室的功能不再單一,可面對(duì)更多課程的實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)向?qū)W生開(kāi)放,為學(xué)生提供更多的實(shí)踐及創(chuàng)新機(jī)會(huì)。

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