基于虛擬仿真技術(shù)的控制工程基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)改革和創(chuàng)新能力培養(yǎng)

宋強(qiáng) 師會(huì)超

摘 要 針對(duì)控制工程基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題，詳細(xì)闡述在控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)方法、教學(xué)手段、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、考核方式等方面的教學(xué)改革探索與實(shí)踐。分別采用仿真軟件MATLAB、Simulink、LabVIEW等建立控制工程基礎(chǔ)各章的仿真模型，建設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，利用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行輔助控制系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。這樣既節(jié)省了實(shí)驗(yàn)設(shè)備和資金，又創(chuàng)造出一個(gè)適于個(gè)體教學(xué)、因材施教、啟發(fā)思維的、靈活機(jī)動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境，并能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。同時(shí)進(jìn)行創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維培養(yǎng)，收到不錯(cuò)的應(yīng)用效果，值得借鑒和推廣。

關(guān)鍵詞 教學(xué)改革；虛擬仿真技術(shù)；控制工程基礎(chǔ)；MATLAB；Simulink；LabVIEW

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）16-0038-03

1 前言

控制工程基礎(chǔ)相對(duì)于機(jī)械電子工程有三個(gè)特點(diǎn)：概念抽象，與數(shù)學(xué)聯(lián)系緊密，實(shí)踐性強(qiáng)。很多學(xué)生往往注重理論學(xué)習(xí)而輕視實(shí)踐結(jié)果，往往只會(huì)紙上談兵而缺乏工程實(shí)踐能力。控制工程基礎(chǔ)課程是機(jī)械大類(lèi)等專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，與前期所學(xué)的高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)、電工學(xué)、電路聯(lián)系緊密，歷來(lái)存在知識(shí)面廣、學(xué)時(shí)少、課程緊、難度較大、理論性強(qiáng)等問(wèn)題，學(xué)生抱怨較多，有控制工程基礎(chǔ)“難于上青天”之說(shuō)。

安陽(yáng)工學(xué)院新的辦學(xué)思路和培養(yǎng)機(jī)制是向應(yīng)用型本科院校轉(zhuǎn)變。應(yīng)用型是高等教育發(fā)展到一定階段的必然結(jié)果與必然取向，尤其是高等教育大眾化和普及化到來(lái)時(shí)。整個(gè)高等教育已從學(xué)術(shù)型和研究型慢慢過(guò)渡到應(yīng)用型，“用”是應(yīng)用型的核心，學(xué)以致用是其本質(zhì)，掌握知識(shí)與能力是“用”的基礎(chǔ)，社會(huì)實(shí)踐是“用”的對(duì)象，滿(mǎn)足社會(huì)需求、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步，是“用”的目的。

2 控制工程基礎(chǔ)課程實(shí)踐教學(xué)存在的不足

以安陽(yáng)工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院為例，控制工程基礎(chǔ)課程實(shí)踐教學(xué)存在以下不足。

1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備明顯老化。所用的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)箱購(gòu)置于2007年，老化嚴(yán)重，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和設(shè)備已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上社會(huì)發(fā)展。

2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容老化。學(xué)生對(duì)于控制參數(shù)不知如何調(diào)整，在設(shè)備面前茫然無(wú)措，而且很容易損壞電器電路，不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

3）驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過(guò)多，不能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。所使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為模擬電路工具箱，學(xué)生實(shí)驗(yàn)只是連接封裝的模型，由示波器觀(guān)察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含典型環(huán)節(jié)模擬、二階系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)、典型環(huán)節(jié)頻率特性以及控制系統(tǒng)分析，這些實(shí)驗(yàn)均以驗(yàn)證性為主，延展性不足，無(wú)法達(dá)到鍛煉動(dòng)手能力的目的，對(duì)于學(xué)生理解幫助不大。

4）目前高校多采用放錄像的形式讓學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，學(xué)生只能初步了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這種實(shí)驗(yàn)方式應(yīng)用在控制工程基礎(chǔ)教學(xué)中，對(duì)培養(yǎng)本科生應(yīng)用能力和工程實(shí)踐能力是極為不利的，與國(guó)家要求的本科素質(zhì)培養(yǎng)也有一定的差距。

5）課堂教學(xué)是以教師講課為主的知識(shí)傳授，方式比較單一。目前控制工程基礎(chǔ)課程計(jì)劃學(xué)時(shí)設(shè)置為54學(xué)時(shí)（其中6學(xué)時(shí)為實(shí)驗(yàn)），簡(jiǎn)單以教師授課效果來(lái)評(píng)價(jià)極為不公平。所導(dǎo)致的結(jié)果，一方面，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣大大減弱，影響學(xué)生對(duì)基本知識(shí)的掌握；另一方面，教師講授過(guò)于死板，課堂教授缺乏活力，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。

6）考試基本上以筆試為主，期末考試占80%，平時(shí)成績(jī)占20%，略顯僵化與片面。對(duì)于一門(mén)工程背景極強(qiáng)的課程而言，考核方式應(yīng)該豐富多彩，不能簡(jiǎn)單以考試結(jié)束。

3 基于虛擬仿真技術(shù)的控制工程基礎(chǔ)課程實(shí)踐教學(xué)改革

結(jié)合MATLAB軟件進(jìn)行仿真教學(xué)，可以很好地克服傳統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)的局限，對(duì)于控制工程基礎(chǔ)的理論教學(xué)有很大的促進(jìn)作用，對(duì)于提高學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力也有一定的幫助作用。

1）引入車(chē)輛實(shí)例，結(jié)合車(chē)輛知識(shí)，讓控制“活”起來(lái)，加入MATLAB仿真技術(shù)，讓課程“動(dòng)”起來(lái)，這樣做會(huì)提升學(xué)生的興趣。

2）一方面，教學(xué)應(yīng)從機(jī)械電子工程領(lǐng)域向無(wú)人機(jī)、飛行器特色轉(zhuǎn)變，安陽(yáng)工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院新開(kāi)飛行器機(jī)械工程本科專(zhuān)業(yè)，這是一個(gè)比較陌生的行業(yè)；另一方面，加強(qiáng)綜合性控制實(shí)驗(yàn)，通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)來(lái)改變學(xué)生的被動(dòng)局面，培養(yǎng)聯(lián)系飛行器實(shí)際的獨(dú)立工作和創(chuàng)新能力。

3）引入問(wèn)題驅(qū)動(dòng)式翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，教師提供與課程相關(guān)的實(shí)際工程問(wèn)題，讓學(xué)生分組進(jìn)行討論，指定一名學(xué)生主講討論結(jié)果，其他學(xué)生輔助講解，提交報(bào)告。這對(duì)學(xué)生掌握理論知識(shí)和培養(yǎng)解決問(wèn)題的能力很有好處。

4）嘗試考核方式多種多樣，考試成績(jī)+團(tuán)隊(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)成績(jī)+個(gè)人虛擬實(shí)驗(yàn)成績(jī)+習(xí)題成績(jī)+課堂討論成績(jī)。

教學(xué)改革已經(jīng)在實(shí)際課堂教學(xué)中有所體現(xiàn)，并取得很好的教學(xué)效果。這些舉措顯著提升了學(xué)生的積極性，明顯改善了課堂氛圍，解放了課堂教學(xué)對(duì)學(xué)生思維的束縛。

4 基于多種仿真軟件的虛擬仿真技術(shù)

基于MATLAB軟件的虛擬仿真技術(shù) 首先應(yīng)用MATLAB應(yīng)用軟件進(jìn)行虛擬仿真（圖1、圖2、圖3），這種方式易擴(kuò)展、方案靈活，唯一不足的是需要M文件編程。

基于LabVIEW軟件的虛擬仿真技術(shù) 下面利用LabVIEW仿真軟件對(duì)轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)加速度進(jìn)行仿真（圖4、圖5）。程序的第一步是完成系統(tǒng)的初始化，在這個(gè)步驟中如果程序發(fā)生錯(cuò)誤，系統(tǒng)就會(huì)立刻停止；無(wú)誤的話(huà)，程序會(huì)繼續(xù)運(yùn)行下去。第二步是設(shè)定USBDAQ8設(shè)備的采樣參數(shù)，發(fā)送采樣命令。需要配置的參數(shù)主要有采樣長(zhǎng)度和采樣頻率，如果輸入錯(cuò)誤，就會(huì)停止運(yùn)行，否則程序會(huì)一直循環(huán)運(yùn)行下去，除非通過(guò)開(kāi)關(guān)按鈕才能停止它的運(yùn)行。

前兩個(gè)程序運(yùn)行無(wú)誤，就會(huì)進(jìn)入獲取采樣數(shù)據(jù)程序，程序無(wú)誤就開(kāi)始進(jìn)入對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理及數(shù)據(jù)輸出環(huán)節(jié)，否則程序會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行。另外，在這個(gè)總體程序框圖上方有個(gè)100毫秒的延遲程序。

基于Simulink軟件的虛擬仿真技術(shù) 已知一單位反饋系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)是：

要求系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)Kv≥50 s-1，γ≥40°，wc≥10 rad/s。試應(yīng)用MATLAB Simulink進(jìn)行滯后—超前校正。

Simulink是可以用于連續(xù)、離散以及混合的線(xiàn)性、非線(xiàn)性控制系統(tǒng)建模、仿真和分析的軟件包，并為用戶(hù)提供了用方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，很適合于控制系統(tǒng)的仿真。

仿真后得到的結(jié)果如圖6和圖7所示。

由Simulink仿真得到的圖形可以看出原系統(tǒng)的階躍響應(yīng)并不理想，其響應(yīng)的速度慢，而且超調(diào)量明顯過(guò)大，因此要將此系統(tǒng)串聯(lián)滯后—超前校正來(lái)改善其性能指標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用MATLAB、LabVIEW、Simulink軟件分別進(jìn)行控制工程基礎(chǔ)課程在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)仿真，普遍反映虛擬仿真技術(shù)的運(yùn)用激發(fā)了學(xué)生的興趣、擴(kuò)展了教學(xué)實(shí)例，實(shí)踐教學(xué)效果不錯(cuò)。為此開(kāi)發(fā)基于MATLAB、LabVIEW的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，方便地滿(mǎn)足理論教學(xué)的各種要求，而且可以根據(jù)需要開(kāi)發(fā)出不同實(shí)驗(yàn)。無(wú)論內(nèi)涵還是外延，都大大拓展了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的范疇，既節(jié)省了實(shí)驗(yàn)資金，又因材施教、啟發(fā)思維，靈活機(jī)動(dòng)地創(chuàng)造了學(xué)習(xí)環(huán)境，并能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，培養(yǎng)了創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維，收到不錯(cuò)的應(yīng)用效果，值得借鑒和推廣。

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