基于Labview的設(shè)施環(huán)境自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

錢 稷， 周 娟， 邸 葆， 丁鈿冉

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) a.園藝學(xué)院，b.機(jī)電學(xué)院，河北 保定 071000；2.東芬蘭大學(xué) 森林與科學(xué)專業(yè)，芬蘭 約恩蘇 80101)

基于Labview的設(shè)施環(huán)境自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

錢 稷1a， 周 娟1b， 邸 葆1a， 丁鈿冉2

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) a.園藝學(xué)院，b.機(jī)電學(xué)院，河北 保定 071000；2.東芬蘭大學(xué) 森林與科學(xué)專業(yè)，芬蘭 約恩蘇 80101)

為了提高設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，同時(shí)針對(duì)缺少設(shè)施環(huán)境自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)儀器的問題，利用Labview軟件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將實(shí)驗(yàn)分為教學(xué)復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)置了開放性實(shí)驗(yàn)部分，進(jìn)一步為學(xué)生提供了理論和實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過學(xué)生課程調(diào)查數(shù)據(jù)表明：85%的同學(xué)能夠獨(dú)立完成設(shè)施環(huán)境調(diào)控labview程序的編程，同時(shí)81%的同學(xué)能夠完成創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)中全部4個(gè)參數(shù)的優(yōu)化。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，有助于設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生理解和掌握該課程的主要知識(shí)點(diǎn)，提高工程實(shí)踐能力，完善學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，不斷強(qiáng)化其獨(dú)立思考能力和創(chuàng)新意識(shí)。

設(shè)施環(huán)境自動(dòng)控制； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)； 實(shí)踐能力; Labview

0 引 言

設(shè)施環(huán)境自動(dòng)控制是一門設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程專業(yè)的支撐課程，是一門能夠?qū)⒆詣?dòng)控制理論應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中去的重要課程。因此，實(shí)驗(yàn)性教學(xué)是該課程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐和提高創(chuàng)新能力的重要途徑。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和信息化的發(fā)展，加強(qiáng)設(shè)施環(huán)境自動(dòng)控制課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不斷推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革創(chuàng)新，努力培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，是提高學(xué)生社會(huì)競爭力的必然之舉。Labview(Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench)是美國國家儀器公司所開發(fā)的圖形化程序編譯平臺(tái)，它采用“數(shù)據(jù)流”的概念，利用流程圖和模塊化相結(jié)合的設(shè)計(jì)思想，完成程序設(shè)計(jì)，程序可移植性高，實(shí)現(xiàn)“軟件即硬件”的功能[1-2]。而基于LabVIEW的設(shè)施環(huán)境自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)，克服了交叉學(xué)科設(shè)備儀器缺少的現(xiàn)狀，利用Labview自身的特點(diǎn)——以軟件實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)備的功能。用創(chuàng)新的編程理論，設(shè)計(jì)出實(shí)用的設(shè)施環(huán)境調(diào)控方案[3-4]?；贚abview的設(shè)施環(huán)境自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，不僅能增強(qiáng)學(xué)生對(duì)本課程知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，還有助于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考及動(dòng)手能力，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高創(chuàng)新意識(shí)，更好地將兩個(gè)學(xué)科知識(shí)進(jìn)行融合，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。

1 實(shí)驗(yàn)課程安排

設(shè)施環(huán)境自動(dòng)控制是一門交叉性的課程，要以自動(dòng)控制理論知識(shí)為基礎(chǔ)，建立控制理論和設(shè)施環(huán)境調(diào)控之間的聯(lián)系，最終將自動(dòng)控制理論應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，以提高生產(chǎn)效率以及經(jīng)濟(jì)效益。本課程分為40學(xué)時(shí)的講授內(nèi)容和8學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，其難點(diǎn)在于講授部分理論性強(qiáng)、概念抽象、分析工具復(fù)雜，且與數(shù)學(xué)聯(lián)系緊密[5-8]。同時(shí)設(shè)施農(nóng)業(yè)與工程專業(yè)的學(xué)生缺少自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)的知識(shí)背景，而且數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，所以學(xué)生對(duì)自動(dòng)化相關(guān)理論知識(shí)的理解和應(yīng)用，僅通過課堂講解很難完全掌握，因此必須通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)這一環(huán)節(jié)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)和應(yīng)用能力。本實(shí)驗(yàn)課程主要從3個(gè)方面進(jìn)行：

(1) 8個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)分階段遵循由簡到難、循序漸進(jìn)的原則。當(dāng)理論課程講授到一定階段，同時(shí)也能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)提供理論支撐的時(shí)候，會(huì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)都是對(duì)前一個(gè)時(shí)期理論教學(xué)的實(shí)踐總結(jié)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上分為理論驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)型、綜合型3種類型。

(2) 在理論課程結(jié)束后，安排最后一次針對(duì)整門課程的實(shí)驗(yàn)。這次實(shí)驗(yàn)是綜合型實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以根據(jù)自己興趣選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而為以后研發(fā)類工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

(3) 為了培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，從理論學(xué)習(xí)、軟件應(yīng)用以及實(shí)踐動(dòng)手能力3個(gè)方面對(duì)學(xué)生的成績做出評(píng)估，并將實(shí)驗(yàn)成績?cè)诳偝煽兊谋壤岣叩?0%。

2 實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)

設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程專業(yè)是一個(gè)工程與農(nóng)業(yè)相結(jié)合的新興專業(yè),學(xué)校缺少與之配套的相關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器。同時(shí)在傳統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，電子儀器起著主導(dǎo)作用，這些儀器大多是以硬件或固化的軟件的形式存在的，不適應(yīng)“設(shè)施環(huán)境自動(dòng)控制”實(shí)驗(yàn)的要求，所以利用Labview軟件的特殊性，通過軟件編程，充分發(fā)揮“軟件即硬件”的功能，設(shè)計(jì)出適合本專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程[9]。

2.1 總體設(shè)計(jì)

為了強(qiáng)化園藝專業(yè)背景應(yīng)用，首先通過觀看現(xiàn)代化溫室內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)控制過程的演示，使學(xué)生建立起溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí)，再結(jié)合典型案例進(jìn)行分析。每一個(gè)模塊講完之后，都結(jié)合其中一個(gè)典型的參數(shù)控制進(jìn)行對(duì)應(yīng)分析。按照循序漸進(jìn)的原則從基本概念、數(shù)學(xué)建模、系統(tǒng)分析(時(shí)域分析、根軌跡分析、頻域分析)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。以典型的溫室環(huán)境參數(shù)控制作為綜合分析實(shí)例，培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中把抽象理論與實(shí)際溫室控制工程相結(jié)合的能力。具體課程設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)課程結(jié)構(gòu)

為了學(xué)生能夠更好地理解、記憶、運(yùn)用講授中的內(nèi)容，在實(shí)驗(yàn)課程中加入了教學(xué)復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)的應(yīng)用。這樣學(xué)生就能夠方便的在實(shí)驗(yàn)過程中檢索到講授的重點(diǎn)知識(shí)，并將其應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中去。為后期開放性實(shí)驗(yàn)部分奠定了良好的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用能力[10-11]。

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用模塊化的編程思想，各個(gè)模塊單獨(dú)對(duì)應(yīng)一個(gè)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)也可以將幾個(gè)模塊聯(lián)系起來，完成一個(gè)綜合的實(shí)驗(yàn)。通過預(yù)先編好的系統(tǒng)登錄界面進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面中，學(xué)生可以根據(jù)自己的情況選擇復(fù)習(xí)理論知識(shí)或是直接進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。每一個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，都包括實(shí)驗(yàn)說明、實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)設(shè)定、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還為學(xué)生提供相似的編程案例[12]。學(xué)生可以自己動(dòng)手設(shè)計(jì)新的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，這樣就能夠更好地從實(shí)際應(yīng)用角度去理解每一個(gè)溫室自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。

在自動(dòng)控制理論中，最終應(yīng)該讓學(xué)生掌握兩方面的技能。①系統(tǒng)分析。運(yùn)用合適的分析方法分析現(xiàn)有控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性。②系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。根據(jù)控制任務(wù)，學(xué)生設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)，并優(yōu)化其參數(shù)，達(dá)到最優(yōu)控制效果。

任何一個(gè)復(fù)雜的控制系統(tǒng)都可以通過線性化、降階，分解為若干二階系統(tǒng)和一個(gè)一階系統(tǒng)級(jí)聯(lián)的形式。因此二階系統(tǒng)分析是最基礎(chǔ)的。典型二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為:

其中:ξ—阻尼比;ωn—無阻尼振蕩頻率。二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能分析在自動(dòng)控制理論中有重要的作用[13]。同時(shí)，針對(duì)農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境調(diào)控，大部分的控制采用的是二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，所以對(duì)于設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生，二階系統(tǒng)的分析與理解就顯得尤為重要。二階系統(tǒng)分析界面如圖3所示。

圖3 二階系統(tǒng)分析界面

在實(shí)驗(yàn)的最后階段，給學(xué)生提供了開放實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。主要目的是將前面所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際的農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境調(diào)控中去，通過對(duì)程序的認(rèn)真研讀和理解，進(jìn)一步讓學(xué)生理解自動(dòng)控制理論，同時(shí)達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的目的[14]。

2.3 總結(jié)與交流

實(shí)驗(yàn)課程結(jié)束之后，安排了實(shí)驗(yàn)總結(jié)環(huán)節(jié)。學(xué)生可以根據(jù)自己的情況自由分組，制作PPT，匯報(bào)心得體會(huì)，并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3 結(jié)果與討論

設(shè)施環(huán)境自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)課教學(xué)目的主要有3個(gè)。

(1) 更好地理解和掌握自動(dòng)控制理論基礎(chǔ)知識(shí)；

(2) 了解Labview軟件平臺(tái)的編程環(huán)境，并能自己完成簡單的程序設(shè)計(jì)，初步掌握一門計(jì)算機(jī)高級(jí)語言，為以后程序開發(fā)打下良好基礎(chǔ)；

(3) 初步將自動(dòng)控制理論知識(shí)應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控中，同時(shí)能夠理解開放性實(shí)驗(yàn)中程序代碼。

為了檢驗(yàn)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)課程掌握Labview軟件編程環(huán)境和獨(dú)立完成簡單程序設(shè)計(jì)的能力，實(shí)驗(yàn)課為學(xué)生布置了RL、RC、RLC網(wǎng)絡(luò)3個(gè)簡單編程，調(diào)查對(duì)象為2013級(jí)設(shè)施農(nóng)業(yè)工程與科學(xué)專業(yè)的54名學(xué)生，按完成程序數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，全部完成程序設(shè)計(jì)的占總數(shù)的85%，9%的同學(xué)完成了兩個(gè)程序設(shè)計(jì)，全屆只有1人沒有完成所有的程序設(shè)計(jì)，只占總數(shù)的2%。綜合所有數(shù)據(jù)可以看出，大部分學(xué)生掌握了Labview編程環(huán)境，同時(shí)也能較好的理解自動(dòng)控制原理的基本理論知識(shí)。

為了能夠使學(xué)生更好地將自動(dòng)控制理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控中，實(shí)驗(yàn)課為學(xué)生準(zhǔn)備了1個(gè)土壤水分控制方案，學(xué)生通過研讀程序和運(yùn)用自動(dòng)控制理論知識(shí)，最終達(dá)到優(yōu)化土壤水分控制參數(shù)的目的。程序優(yōu)化的5個(gè)參數(shù)分別是td—延遲時(shí)間；tr—上升時(shí)間；tp—峰值時(shí)間；ts—調(diào)節(jié)時(shí)間；σ%—超調(diào)量。根據(jù)圖標(biāo)顯示，絕大部分學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)課程能較好將理論知識(shí)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況中(見圖4)。

圖4 優(yōu)化程序參數(shù)完成情況

實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況表明，以Labview為軟件平臺(tái)的設(shè)施環(huán)境自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)課，能夠很好地提供友好的人機(jī)交互平臺(tái)，同時(shí)也能夠使學(xué)生更好地掌握自動(dòng)控制理論的基礎(chǔ)知識(shí)，通過實(shí)際動(dòng)手進(jìn)一步讓學(xué)生將所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)的農(nóng)業(yè)設(shè)施自動(dòng)控制中去，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，達(dá)到了良好的教學(xué)效果[15-16]。

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Reform of Experiment Course of “Automatic Control of Facility Environment” Based on Labview

QIANJi1a,ZHOUJuan1b,DIBao1a,DINGTianran2

(1a. College of Horticulture, 1b. College of Mechanical & Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, Hebei, China; 2. University of Eastern Finland, School of Forest Sciences, Joensuu 80101, Finland)

Due to the lack of facilities for the automatic control of laboratory instruments of environmental problems, the reform used Labview software platform for experimental teaching to improve the facility agricultural science and engineering student’s practical ability. The course was divided into two sections: review of theoretical knowledge and experiment. The experiment also consisted of innovative part, to provide students with a combined environment of theoretical and practical trains. According to survey results, 85% of students were able to complete programming independently and 81% of students were able to optimize all four parameters in innovative part. This reform helps facility agricultural science and engineering students to understand and master the main points of the course, improves the ability of engineering practice, and enhances students’ knowledge structure and their ability of independence thinking and innovation.

facilities automatic environmental control; experimental teaching; practical ability; Labview

2016-08-15

錢 稷(1983-)，男，河北保定人，碩士，講師，主要從事溫室環(huán)境調(diào)控的研究。Tel.：13630850551;E-mail：qianji167@163.com

G 642.3

A

1006-7167(2017)05-0144-04