《自動控制原理》課虛擬實驗教學(xué)的改革與實踐

劉 艷，尤 源

（鹽城師范學(xué)院物理科學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院，江蘇鹽城224002）

“自動控制原理”是高等院校自動化、電氣、電子信息等專業(yè)學(xué)生的必修課程,主要研究自動控制的基本原理，自動控制系統(tǒng)的分析和綜合設(shè)計的方法，對學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程及從事工程實際工作有著重要的影響。目前許多高校將它作為自動化相關(guān)專業(yè)的研究生入學(xué)考試課程[1]?！蹲詣涌刂圃怼氛n程綜合性強，知識覆蓋面廣，不僅要求學(xué)生有扎實的《工程數(shù)學(xué)》、《電路》、電機》等課程的基礎(chǔ)知識，而且還要有很強的計算綜合能力，是公認的難教難學(xué)的一門課程?？刂评碚摰陌l(fā)展日新月異，實驗教學(xué)是理論教學(xué)的延伸和補充，搞好實驗教學(xué)是整個自動控制理論教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)。實踐教學(xué)，可以使學(xué)生更好的理解基礎(chǔ)知識，更好的實現(xiàn)理論和實際的有機結(jié)合。

對鹽城師范學(xué)院物理科學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院來講，《自動控制原理》課程是新設(shè)專業(yè)的新課程，許多事情都在摸索中進行，既要從其他高校學(xué)習(xí)借鑒一些好的方法，也要根據(jù)自身的特點，探索一些有特色的思路。別的高校都是對以前的實驗室進行改進，而我們是從無到有，因此希望能有更好的方法，使學(xué)生能夠掌握這門課程。因此結(jié)合本校該課程的實際教學(xué)情況，對自動控制原理實踐教學(xué)提出了改革的思路。

1 自動控制原理的傳統(tǒng)實驗教學(xué)

高校實驗室常用的自動控制原理實驗儀器，主要是模擬實驗裝置。一般在課堂理論學(xué)習(xí)以后，在實驗室完成，將系統(tǒng)分解成典型環(huán)節(jié)，利用實驗箱將相應(yīng)的有源RC網(wǎng)絡(luò)模塊連接，最后通過示波器觀察實驗結(jié)果。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方式，學(xué)生要熟練電源、信號發(fā)生器以及一些常規(guī)儀器儀表的使用，對鍛煉學(xué)生的動手能力起到了一定的作用。

但是傳統(tǒng)的實驗方式也有著一定的不足：

（1）所開設(shè)的實驗項目，總是要受到實驗設(shè)備和實驗儀器的限制；

（2）隨著學(xué)生人數(shù)的增加，有限實驗設(shè)備和實驗指導(dǎo)老不能滿足需要。儀器損耗大，實驗多批次安排，教師工作量大。

（3）實驗設(shè)備高度集成，操作復(fù)雜，可擴展性差，另外可改參數(shù)有限,使得綜合性實驗難以開展。

（4）自控實驗學(xué)時有限,傳統(tǒng)實驗室又是非開放性的,要想在有限學(xué)時里鞏固和掌握課堂內(nèi)容,顯然是很困難的。不能達到實驗要求和促進課程理論教學(xué)的目的。

因此，這樣的實驗室成本高，儀器耗損大，重復(fù)利用率低，相對于越來越多的學(xué)生數(shù)而言，已經(jīng)遠遠不夠，必須尋找更好的實驗方法。

2 自動控制原理的計算機仿真實驗

高等教育一直強調(diào)動手能力的重要性。學(xué)校為了提高學(xué)生解決實際問題的能力，改進實驗設(shè)備，必然是改革過程中重要的一環(huán)。因此，國內(nèi)外許多高校都對傳統(tǒng)的自動控制原理實驗進行了改進[2]。計算機仿真，能很好地解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)面臨的困難，既可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高理論教學(xué)效果，又可以緩解實驗設(shè)備緊張的問題。特別是一些工科專業(yè)建設(shè)相對較晚的院校，可以借鑒其他高校的經(jīng)驗，建立仿真實驗室。

目前在自動控制、通信及信號處理等領(lǐng)域中，MATLAB具有非常重要的地位，是各高校的首選，利用MATLAB可視化編程能力的圖形用戶界面、豐富的工具箱、SIMULINK仿真功能以及強大的繪圖功能，可以構(gòu)建《自動控制原理》實驗仿真平臺[3]。該平臺充分考慮了本學(xué)科的特點,基本上覆蓋了所要求的實驗內(nèi)容；用戶界面良好，具有一定的交互功能和仿真運行功能。由該實驗系統(tǒng)得到系統(tǒng)的各種響應(yīng)，分析系統(tǒng)的性能。由MATLAB得到的系統(tǒng)響應(yīng)及性能指標(biāo)比用模擬電路系統(tǒng)得到的結(jié)論更加準確，便于分析，是自動化專業(yè)的學(xué)生必須掌握的一門軟件知識。

把MATLAB作為一種基本工具與教學(xué)內(nèi)容有機結(jié)合，用于控制系統(tǒng)分析、計算、設(shè)計和仿真，使教學(xué)及實驗效果、效率均有明顯提高。

基于MATLAB的《自動控制原理》實驗仿真平臺，與傳統(tǒng)的實驗方法相比，具有許多優(yōu)越性：

一是增加了綜合性、設(shè)計性實驗。綜合性、設(shè)計性實驗對學(xué)生扎實地掌握所學(xué)的內(nèi)容、靈活運用課本知識，是非常重要的。由于種種原因，學(xué)生利用實際的硬件自己設(shè)計、校正系統(tǒng)，在有限時間內(nèi)要做成，是比較困難的；而利用MATLAB實驗無需依賴硬件設(shè)備，利用MATLAB對系統(tǒng)進行綜合與校正，提高了學(xué)生的實踐能力。

二是具有更靈活的實驗形式，既可以在多媒體教室上課時演示，也可以由學(xué)生上機實踐。教師還可以根據(jù)需要,分解組合各實驗的內(nèi)容。通過這些實驗,既有助于學(xué)生對課程內(nèi)容的理解和掌握,也會對熟悉和應(yīng)用MATLAB起到積極作用，很大程度上提高了學(xué)生的主動性和學(xué)習(xí)效率。

因此，虛擬仿真實驗與傳統(tǒng)模擬實驗相結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加深了對理論知識的理解。但隨著教學(xué)實踐的深入，還有許多的問題需要解決。

3 基于LabVIEW的自動控制原理虛擬實驗系統(tǒng)

盡管借助于MATLAB可以完成所有的實驗，學(xué)生的編程能力也會有所提高，實驗效果也很好。但是由于MATLAB的局限性，這些虛擬實驗系統(tǒng)僅限于軟件模擬，這樣不能鍛煉學(xué)生的動手能力和硬件調(diào)試能力，并且軟件模擬實驗給學(xué)生的印象，并不如硬件實驗?zāi)菢由羁?。另外，由于MATLAB軟件模擬往往需要學(xué)生對其有一定的熟悉和了解，這對于低年級的學(xué)生來說，比較困難。

LabVIEW是NI公司推出的一種基于G語言(圖形化編程語言)的虛擬儀器軟件開發(fā)工具[4]。它的出現(xiàn)，使得現(xiàn)場數(shù)據(jù)檢測變得十分方便，而且由軟件實現(xiàn)的儀器界面非常友好美觀，具有強大的數(shù)據(jù)運算及處理功能，能夠集信號發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、波形顯示、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出等多種功能于一身。對技術(shù)人員而言，編程簡單，易于理解，上手快，效率高；LabVIEW提供了豐富完善的功能圖標(biāo)，用戶只需直接調(diào)用，就可免去自己編程的煩瑣；由軟件實現(xiàn)的儀器界面非常友好美觀，具有強大的數(shù)據(jù)運算及處理功能；可以方便地與MATLAB及C語言接口，廣泛地應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)的仿真與分析中,是開發(fā)應(yīng)用于實驗室的虛擬儀器的有力的軟件工具[5]。

在設(shè)計《自動控制原理》虛擬實驗系統(tǒng)時，我們對傳統(tǒng)實驗項目進行改革，在內(nèi)容上做到理論中的各個章節(jié)的重點內(nèi)容都開設(shè)實驗，做到理論和實踐有機的結(jié)合。主要研究基于LabVIEW的前臺用戶界面設(shè)計，基于MATLAB的后臺控制策略研制，著重解決MATLAB與LabVIEW的接口問題。這樣基于LabVIEW的動態(tài)顯示功能，結(jié)合MATLAB強大的數(shù)值計算功能，構(gòu)成融實例顯示和仿真分析為一體的動態(tài)教學(xué)平臺。在加強基礎(chǔ)實驗的同時，還可以設(shè)計綜合性設(shè)計性實驗，依托浙大中控的CS4000過程控制實驗裝置，對典型系統(tǒng)，如水位控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)等，進行有關(guān)綜合設(shè)計實驗，極大地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了創(chuàng)新能力。

在新的實驗系統(tǒng)中，學(xué)生對實驗的操作更加方便省時，單位學(xué)時內(nèi)所能完成的實驗內(nèi)容增多了，提高了實驗教學(xué)的效率。同時把軟件又是儀器的概念，引入到了實驗系統(tǒng)的設(shè)計中，而不是單一的程序仿真。實驗室的功能不再單一，可面對更多課程的實驗及課程設(shè)計，向?qū)W生開放，為學(xué)生提供更多的實踐及創(chuàng)新機會。

4 結(jié)束語

本文針對學(xué)?！蹲詣涌刂圃怼氛n程實踐教學(xué)的實際情況，進行了改革嘗試，并應(yīng)用于實際教學(xué)。經(jīng)過幾年的努力，通過畢業(yè)設(shè)計、開放實驗室等多種辦法，逐步完善實驗系統(tǒng)。實踐結(jié)果表明，用虛擬實驗系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗室，用軟件模擬實際硬件的全部功能，節(jié)約了成本，解決了沒有實驗室的難題，提高了教學(xué)效果；既培養(yǎng)了學(xué)生在數(shù)據(jù)采集和分析、計算機仿真系統(tǒng)方面的能力，同時又不忽略對硬件系統(tǒng)的認識，可以加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解，提高動手能力。另外，探索用虛擬實驗系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗室，可以為學(xué)校許多新增的電子電氣類課程開設(shè)實驗，提供新的思路。

[1]顧九春，王 品，宋進桂.《自動控制原理》課程虛擬實驗平臺的設(shè)計[J].高校實驗室工作研究，2008，95(1):50-52.

[2]馬 壯，呂宏麗,周浩淼.《自動控制原理》實驗教學(xué)內(nèi)容改革與實踐[J].實驗室科學(xué).2009，2(2):47-48.

[3]董海瑞，齊曉慧，等.基于MATLAB的《自動控制原理》虛擬實驗仿真平臺[J].實驗室研究與探索，2005，24（增刊）:216-218.

[4]趙劍鋒,吳繼平.基于LabVIEW的自動控制原理虛擬實驗系統(tǒng)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2007，29(1):85-87.

[5]曹建榮，謝秀穎，徐紅東.虛擬儀器技術(shù)在自動控制原理實驗中的應(yīng)用[J].實驗室研究與探索，2004，23(5)：38-40.