“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”新型教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建＊

王 強(qiáng)，孫 堅(jiān)

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002)

“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”新型教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建＊

王 強(qiáng)，孫 堅(jiān)

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002)

從大專業(yè)政策導(dǎo)向和培養(yǎng)創(chuàng)新型人才出發(fā)，從系統(tǒng)層面把握不同專業(yè)及課程內(nèi)在聯(lián)系，以“一綱、兩體、四化”作為“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”新型教學(xué)平臺(tái)創(chuàng)建基本原則。理論教學(xué)采用從上到下教學(xué)模式，實(shí)踐環(huán)節(jié)構(gòu)建“兩條途徑，三種層次”的實(shí)驗(yàn)體系，既保持課程統(tǒng)一性、又體現(xiàn)不同專業(yè)對(duì)立性。采用面向?qū)ο缶幊谭绞?、Matlab下GUI和電力系統(tǒng)工具箱等功能，開發(fā)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教學(xué)仿真演示系統(tǒng)，推進(jìn)新型教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建。

教學(xué)平臺(tái);GUI界面;Matlab/Simulink工具箱;教學(xué)仿真演示系統(tǒng)

1 構(gòu)建新型教學(xué)平臺(tái)的背景和意義

教育部于1998年7月頒布的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄》，把504種專業(yè)調(diào)整到249種，這一政策導(dǎo)向要求教育工作者必須淡化小專業(yè)意識(shí)，樹立大專業(yè)思想。“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”是工科類電氣相關(guān)專業(yè)主干課程之一，存在概念抽象、數(shù)學(xué)理論強(qiáng)、難于理解等基本特征。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和多媒體設(shè)備的廣泛運(yùn)用，借助多媒體設(shè)備、充分挖掘數(shù)字仿真軟件在教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)是當(dāng)前教學(xué)手段主要改進(jìn)方法之一［1］。由于Simulink是MatLab下的面向結(jié)構(gòu)圖方式的仿真環(huán)境，其與用戶交互接口是基于Windows的圖形編程方法［2］，使用靈活，容易掌握。MATLAB的GUI不僅可用于設(shè)計(jì)監(jiān)控演示系統(tǒng)功能模塊，而且還可以制作界面，調(diào)用MATLAB里的任何工具箱函數(shù)，甚至可用M語(yǔ)言很方便地編寫用于實(shí)現(xiàn)不同功能的函數(shù)。課程教學(xué)組利用Matlab/Simulink仿真軟件開發(fā)了一個(gè)較為完善的教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)仿真教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)方式的相互補(bǔ)充?？蓾M足不同專業(yè)學(xué)生的教學(xué)需求，達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果。

2 平臺(tái)構(gòu)建基本思想——“一綱兩體四化”

“一綱”，說的是1門課程1份教學(xué)計(jì)劃大綱，即對(duì)原按專業(yè)設(shè)置的教學(xué)大綱，打破專業(yè)差異，采取就高不就低原則，推行統(tǒng)一的教學(xué)大綱和教學(xué)要求。對(duì)理論課程教學(xué)目的、深度及知識(shí)體系、教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)方法進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定，并整合教師資源完善課程建設(shè)與實(shí)施。

“兩體”，即理論教學(xué)主體和實(shí)踐環(huán)節(jié)主體。在理論教學(xué)主體方面，打破過往按章逐節(jié)，條塊分割的講解，把計(jì)算機(jī)控制課程視為一個(gè)完整的系統(tǒng)，引導(dǎo)學(xué)生用系統(tǒng)的觀念去認(rèn)識(shí)和把握該門課程，對(duì)課程采用從上到下模塊化分解模式。實(shí)踐環(huán)節(jié)主體，著力構(gòu)建集驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和特色性綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為一體的物理與仿真綜合實(shí)驗(yàn)體系［3］。專業(yè)導(dǎo)師在理論課程接近尾聲時(shí)，根據(jù)專業(yè)設(shè)置情況開設(shè)專業(yè)導(dǎo)論課，介紹各專業(yè)最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，以幫助學(xué)生了解各專業(yè)學(xué)習(xí)內(nèi)容及研究方向，使其結(jié)合自身興趣愛好和能力，合理選擇后期實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容。

“四化”即教學(xué)過程的數(shù)字化、全程化、全員化和個(gè)性化。數(shù)字化，是借助多媒體設(shè)備、充分挖掘計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，使復(fù)雜、抽象的控制系統(tǒng)在分析、參數(shù)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)組成方面變得簡(jiǎn)單而具體。全程化，指的是在整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)、每個(gè)工作日都安排老師進(jìn)行答疑。全員化即課程教研組成員人人參與，建立面向全體學(xué)生服務(wù)意識(shí)和健全答疑制度。個(gè)性化指導(dǎo)，主要以提高學(xué)生專業(yè)技能和創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)為目標(biāo)，對(duì)每一專業(yè)、每個(gè)實(shí)踐小組進(jìn)行“綜合設(shè)計(jì)一對(duì)一，指導(dǎo)服務(wù)一對(duì)一”培養(yǎng)模式。

3 課堂教學(xué)數(shù)字仿真平臺(tái)構(gòu)建

3.1 教學(xué)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐中，開發(fā)一個(gè)基于Matlab軟件的“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”教學(xué)仿真演示系統(tǒng)和開放的教學(xué)平臺(tái)。平臺(tái)采用Matlab圖形用戶界面(GUI:Graphical User Interfaces)功能和面向?qū)ο筮M(jìn)行編程的主流編程方式。其不僅可以調(diào)用MATLAB里的任何工具箱函數(shù)，很方便地設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面(HMI);而且不會(huì)由于可能“過程”的變化導(dǎo)致無法重復(fù)調(diào)用這個(gè)“過程”，保證了“對(duì)象”相對(duì)于“過程”是一個(gè)穩(wěn)定的單位。依據(jù)平臺(tái)構(gòu)建基本思想，即理論教學(xué)從上到下的教改思路，“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”理論教學(xué)數(shù)字仿真平臺(tái)將“對(duì)象”和“類”按層次方式進(jìn)行組織，圖形對(duì)象層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。第一層為根對(duì)象，其功能是保存系統(tǒng)狀態(tài)和信息的相關(guān)設(shè)置。為其它對(duì)象的父窗口。第二層用于整個(gè)圖形的窗口化，為

圖1 圖形對(duì)象層次結(jié)構(gòu)圖

圖2 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教學(xué)系統(tǒng)主界面

為使用按鈕打開GUI主界面對(duì)應(yīng)的子界面時(shí)，可在按鈕“Callback”的屬性中鍵入“子界面的文件名(* .fig)”和“close”，這樣通過點(diǎn)擊每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)的按鈕實(shí)現(xiàn)關(guān)閉當(dāng)前界面，同時(shí)打開一個(gè)新的子界面，直接跳轉(zhuǎn)到相對(duì)應(yīng)的具體模塊中。具體模塊將“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”教學(xué)內(nèi)容中的系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模、控制算法和系統(tǒng)工程實(shí)例等，可通過利用 Matlab軟件的 M文件、S-Function、工具箱等方法來建模、仿真并調(diào)試。

3.2 教學(xué)實(shí)例

在圖2計(jì)算機(jī)控制技術(shù)教學(xué)系統(tǒng)GUI主界面中，所用的控件有1個(gè)靜態(tài)文本框、6個(gè)按鈕。當(dāng)使用“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)仿真演示系統(tǒng)”進(jìn)行實(shí)際教學(xué)時(shí)，如:教授控制算法，只需單擊主界面上對(duì)應(yīng)的“控制算法及實(shí)例”按鈕，就可以打開圖3所示的“控制算法及算例—經(jīng)典控制”子界面。以數(shù)字PID控制算法為例，在講授數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì)時(shí)，可使用Simulink中的Subsystem構(gòu)造功能，對(duì)數(shù)字PID控制器完成構(gòu)造與封裝，如圖4所示。

圖3 經(jīng)典控制教學(xué)子模塊界面

圖4 數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì)與封裝

當(dāng)點(diǎn)擊圖3“下一頁(yè)”按鈕，則關(guān)閉圖3，打開與形式上和圖3類似的“控制算法及算例—現(xiàn)代控制”GUI子界面。不過，需要說明的是，在“控制算法及算例—現(xiàn)代控制”子界面中和圖3界面的區(qū)別除了教學(xué)知識(shí)點(diǎn)的名稱不同外，最重要的區(qū)別是“關(guān)閉”按鈕代替了圖3“下一頁(yè)”按鈕。如點(diǎn)擊“關(guān)閉”按鈕，就直接返回到GUI主界面。

本文設(shè)計(jì)的教學(xué)仿真演示平臺(tái)，摒棄了Matlab進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真以控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)方法，采用Matlab提供的動(dòng)態(tài)仿真工具Simulink電力系統(tǒng)工具箱(Simpower System Blockset)，面向控制系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖，對(duì)圖2“控制系統(tǒng)工程實(shí)例”模塊的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。下面以單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為例說明電力系統(tǒng)工具箱在教學(xué)仿真演示系統(tǒng)中的應(yīng)用。

首先，點(diǎn)擊圖2中的“控制系統(tǒng)工程實(shí)例”按鈕，建立仿真模型新文件，以存放仿真系統(tǒng)模型。其次選擇相應(yīng)器件模塊，在仿真窗口的菜單欄上調(diào)出模型瀏覽器，提取合適的模塊放在仿真平臺(tái)上。再次，按系統(tǒng)的電氣原理結(jié)構(gòu)將各模塊連接起來。最后對(duì)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，生成圖5所示的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真圖。當(dāng)設(shè)置不同的控制參數(shù)時(shí)，便可觀察到轉(zhuǎn)速、電流和轉(zhuǎn)矩多種不同狀態(tài)下的仿真波形圖，非常方便觀察和比較分析。圖6為單閉環(huán)、無擾動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)控制性能和穩(wěn)定性較好的轉(zhuǎn)速圖形。

學(xué)生通過結(jié)合某一工程實(shí)例，經(jīng)過“系統(tǒng)-理論教學(xué)模塊-系統(tǒng)”螺旋式循環(huán)教學(xué)過程，潛移默化中不僅對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的硬件組成比較熟悉，且對(duì)控制器參數(shù)調(diào)整所引發(fā)的控制性能變化也有一個(gè)較精確認(rèn)識(shí)。

4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

4.1 實(shí)驗(yàn)體系構(gòu)建思想

一方面，在大專業(yè)教改原則下的“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”實(shí)踐教學(xué)中，構(gòu)建一個(gè)對(duì)立統(tǒng)一的實(shí)踐體系是保證課程連續(xù)性和區(qū)別性，以滿足不同專業(yè)特點(diǎn)的內(nèi)在需求。另一方面，受制于教學(xué)資金、場(chǎng)地等各因素制約及得利于Matlab軟件仿真功能的強(qiáng)大，教學(xué)團(tuán)隊(duì)在實(shí)際操作中，把握“一個(gè)基本點(diǎn)，兩條途徑，三種層次”的從下到上教學(xué)思想［3］。一個(gè)基本點(diǎn)是指以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新能力為中心;學(xué)生從物理實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)兩條途徑獲取互補(bǔ)學(xué)習(xí)的方法;三種層次是指實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系包含有驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和特色性綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次的遞進(jìn)。

圖5 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

圖6 調(diào)速系統(tǒng)較好情況下轉(zhuǎn)速曲形

4.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

第一層次驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)又分為限選項(xiàng)目和自選項(xiàng)目。限選項(xiàng)目主要定位為通識(shí)教育，主要有“數(shù)字量輸入輸出通道”、“模擬量輸入輸出通道”、幾類“經(jīng)典控制算法”等。學(xué)生通過物理和仿真性實(shí)驗(yàn)，有助于理解課堂所學(xué)知識(shí)，對(duì)課程重點(diǎn)加深認(rèn)識(shí)和把握。而對(duì)于復(fù)雜控制系統(tǒng)，如“PC+Fieldbus、DCS、PC+PLC、PC+SLC”4 種典型控制系統(tǒng)的組建、復(fù)雜控制算法歸為自選項(xiàng)目，這部分內(nèi)容主要由學(xué)生自主在開放實(shí)驗(yàn)室仿真平臺(tái)上完成。

第二層次設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)主要有“交流電動(dòng)機(jī)速度控制”、“水塔水位控制”、“彩燈控制系統(tǒng)”等。學(xué)生可根據(jù)自身愛好和能力，進(jìn)行自主選題和難易取舍，初步要求學(xué)生能查閱相關(guān)專業(yè)文獻(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用學(xué)過的知識(shí)和方法，發(fā)揮自己的思考和想象，自行編制控制算法程序來實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)。如某學(xué)生選擇精確型“交流電動(dòng)機(jī)速度控制”，在進(jìn)行輔導(dǎo)時(shí)，指出交流電動(dòng)機(jī)是一種非線性、多變量、強(qiáng)耦合的控制對(duì)象，其數(shù)學(xué)模型較難精確建立，為克服常規(guī)模糊控制器隸屬函數(shù)不變的缺陷，可考慮設(shè)計(jì)一種改進(jìn)型免疫算法PID［4］或具有自我學(xué)習(xí)功能的控制器，詳細(xì)內(nèi)容可通過查找相關(guān)文獻(xiàn)獲取。

特色性綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為第三層次，一般在完成第一層次和相關(guān)理論課程教學(xué)后，以興趣愛好或?qū)ｎ}形式進(jìn)行。經(jīng)過學(xué)生報(bào)名和教師篩選，讓一部分有能力、有潛力的本科同學(xué)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)和研究。在這一過程中，教給他們科學(xué)的工作方法，使他們學(xué)會(huì)利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)等資源查閱資料，提出解決方案并進(jìn)行論證。每個(gè)特色性綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)題目均以工程實(shí)際需求為背景，如:設(shè)計(jì)題目“程控型高穩(wěn)定輸出交流電壓源研制”，教師組織興趣組學(xué)生對(duì)方案的總體設(shè)想和技術(shù)路線進(jìn)行引導(dǎo);在系統(tǒng)裝置控制策略把握上，提醒同學(xué)使用輸出電壓瞬時(shí)值反饋可提高輸出的穩(wěn)態(tài)精度滿足性能指標(biāo)要求，但這可能帶來系統(tǒng)的不穩(wěn)定，用并聯(lián)微分校正——引入濾波電容器電流反饋可達(dá)到改善系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。這種啟發(fā)式、互動(dòng)式教學(xué)方式，有利于培養(yǎng)學(xué)生思維縝密的科學(xué)方法，達(dá)到創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從教育部要求的樹立大專業(yè)思想政策導(dǎo)向出發(fā)，挖掘利用現(xiàn)代教育設(shè)備潛能，對(duì)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程新型教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行創(chuàng)建與實(shí)踐。其主要改進(jìn)點(diǎn)是:

一是從系統(tǒng)層面上有效把握和認(rèn)識(shí)不同專業(yè)及課程的內(nèi)在聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了認(rèn)識(shí)層面從孤立到系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，有助于知識(shí)的融會(huì)貫通。

二是利用Matlab圖形用戶界面GUI功能及其面向?qū)ο筮M(jìn)行編程的主流編程方式，完成教學(xué)仿真演示系統(tǒng)開發(fā)。利用電力系統(tǒng)工具箱對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模和分析應(yīng)用。能擺脫課程學(xué)時(shí)少的制約，為學(xué)生從物理實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)“兩條途徑”獲取互補(bǔ)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ);使學(xué)生在潛移默化中熟悉系統(tǒng)的硬件完整組成，對(duì)控制器參數(shù)調(diào)整所引發(fā)的控制性能變化有一較為精準(zhǔn)的認(rèn)識(shí)。

三是計(jì)算機(jī)教學(xué)仿真演示系統(tǒng)基本上包含了“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”主要典型教學(xué)內(nèi)容，可滿足日常教學(xué)需要。通過仿真過程，既可以看到數(shù)學(xué)模型的變化(本質(zhì)上產(chǎn)生了什么)，又可以感觀到虛擬的“結(jié)果”(表面上發(fā)生了什么)。直觀、生動(dòng)的再現(xiàn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制性能，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。

［1］孫 堅(jiān)，王 強(qiáng).數(shù)字環(huán)境下“電力電子技術(shù)”教學(xué)方式的改進(jìn)［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(5):115-116.

［2］胡異丁，甘俊英.MatLab軟件在信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中的意義［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2008(3):106-108.

［3］王 強(qiáng)，孫 堅(jiān).“電力電子技術(shù)”教學(xué)的改革與實(shí)踐［J］.中國(guó)電力教育，2011(6):177-178.

［4］王 強(qiáng)，錢 敏，等.改進(jìn)型免疫算法PID設(shè)計(jì)及在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，電氣傳動(dòng)，2009，39(2):56-60.

G642.0

A

1674-5884(2014)02-0104-03

2013-11-10

三峽大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目(J2011057和1143)

王 強(qiáng)(1974-)，男，江西撫州人，副教授，工學(xué)碩士，主要從事電力電子、新能源發(fā)電和配網(wǎng)自動(dòng)化研究。圖形窗口對(duì)象。第三層用于MATLAB與用戶之間的可視化操作界面，該交互式界面由“對(duì)象選擇區(qū)”、“工具欄”、“狀態(tài)欄”和“布局區(qū)”四部分組成。對(duì)象選擇區(qū)中由Push Button、Radio Button、Edit Text等組成;工具欄用于對(duì)象對(duì)齊、屬性查看等;狀態(tài)欄用于顯示GUI對(duì)象的標(biāo)示符和位置大小，鼠標(biāo)所在窗口坐標(biāo)值等;布局區(qū)用作查看CALLBACK函數(shù)、編輯M文件等功能。第四層為組對(duì)象及核心對(duì)象，用來繪制圖形基本元素，系統(tǒng)自動(dòng)為對(duì)象返回標(biāo)識(shí)此對(duì)象的數(shù)值(對(duì)象的句柄)，通過句柄查看、修改對(duì)象的屬性。經(jīng)編譯后，整套教學(xué)仿真演示系統(tǒng)人機(jī)交互界面及主框架如圖2所示。

(責(zé)任校對(duì) 龍四清)