《自動控制原理》課虛擬實驗教學的改革與實踐

劉 艷，尤 源

（鹽城師范學院物理科學與電子技術學院，江蘇鹽城224002）

“自動控制原理”是高等院校自動化、電氣、電子信息等專業學生的必修課程,主要研究自動控制的基本原理，自動控制系統的分析和綜合設計的方法，對學生學習后續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專業的研究生入學考試課程[1]。《自動控制原理》課程綜合性強，知識覆蓋面廣，不僅要求學生有扎實的《工程數學》、《電路》、電機》等課程的基礎知識，而且還要有很強的計算綜合能力，是公認的難教難學的一門課程。控制理論的發展日新月異，實驗教學是理論教學的延伸和補充，搞好實驗教學是整個自動控制理論教學過程中的重要環節。實踐教學，可以使學生更好的理解基礎知識，更好的實現理論和實際的有機結合。

對鹽城師范學院物理科學與電子技術學院來講，《自動控制原理》課程是新設專業的新課程，許多事情都在摸索中進行，既要從其他高校學習借鑒一些好的方法，也要根據自身的特點，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，使學生能夠掌握這門課程。因此結合本校該課程的實際教學情況，對自動控制原理實踐教學提出了改革的思路。

1 自動控制原理的傳統實驗教學

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。一般在課堂理論學習以后，在實驗室完成，將系統分解成典型環節，利用實驗箱將相應的有源RC網絡模塊連接，最后通過示波器觀察實驗結果。傳統的實驗教學方式，學生要熟練電源、信號發生器以及一些常規儀器儀表的使用，對鍛煉學生的動手能力起到了一定的作用。

但是傳統的實驗方式也有著一定的不足：

（1）所開設的實驗項目，總是要受到實驗設備和實驗儀器的限制；

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

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

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

因此，這樣的實驗室成本高，儀器耗損大，重復利用率低，相對于越來越多的學生數而言，已經遠遠不夠，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

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

目前在自動控制、通信及信號處理等領域中，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，可以構建《自動控制原理》實驗仿真平臺[3]。該平臺充分考慮了本學科的特點,基本上覆蓋了所要求的實驗內容；用戶界面良好，具有一定的交互功能和仿真運行功能。由該實驗系統得到系統的各種響應，分析系統的性能。由MATLAB得到的系統響應及性能指標比用模擬電路系統得到的結論更加準確，便于分析，是自動化專業的學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內容有機結合，用于控制系統分析、計算、設計和仿真，使教學及實驗效果、效率均有明顯提高。

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

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

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，也可以由學生上機實踐。教師還可以根據需要,分解組合各實驗的內容。通過這些實驗,既有助于學生對課程內容的理解和掌握,也會對熟悉和應用MATLAB起到積極作用，很大程度上提高了學生的主動性和學習效率。

因此，虛擬仿真實驗與傳統模擬實驗相結合，激發了學生學習興趣，加深了對理論知識的理解。但隨著教學實踐的深入，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

盡管借助于MATLAB可以完成所有的實驗，學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，這些虛擬實驗系統僅限于軟件模擬，這樣不能鍛煉學生的動手能力和硬件調試能力，并且軟件模擬實驗給學生的印象，并不如硬件實驗那樣深刻。另外，由于MATLAB軟件模擬往往需要學生對其有一定的熟悉和了解，這對于低年級的學生來說，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工具[4]。它的出現，使得現場數據檢測變得十分方便，而且由軟件實現的儀器界面非常友好美觀，具有強大的數據運算及處理功能，能夠集信號發生、數據采集、波形顯示、數據處理和結果輸出等多種功能于一身。對技術人員而言，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，用戶只需直接調用，就可免去自己編程的煩瑣；由軟件實現的儀器界面非常友好美觀，具有強大的數據運算及處理功能；可以方便地與MATLAB及C語言接口，廣泛地應用于各種控制系統的仿真與分析中,是開發應用于實驗室的虛擬儀器的有力的軟件工具[5]。

在設計《自動控制原理》虛擬實驗系統時，我們對傳統實驗項目進行改革，在內容上做到理論中的各個章節的重點內容都開設實驗，做到理論和實踐有機的結合。主要研究基于LabVIEW的前臺用戶界面設計，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的動態顯示功能，結合MATLAB強大的數值計算功能，構成融實例顯示和仿真分析為一體的動態教學平臺。在加強基礎實驗的同時，還可以設計綜合性設計性實驗，依托浙大中控的CS4000過程控制實驗裝置，對典型系統，如水位控制系統、溫度控制系統等，進行有關綜合設計實驗，極大地調動了學生的學習興趣，提高了創新能力。

在新的實驗系統中，學生對實驗的操作更加方便省時，單位學時內所能完成的實驗內容增多了，提高了實驗教學的效率。同時把軟件又是儀器的概念，引入到了實驗系統的設計中，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計，向學生開放，為學生提供更多的實踐及創新機會。

4 結束語

本文針對學校《自動控制原理》課程實踐教學的實際情況，進行了改革嘗試，并應用于實際教學。經過幾年的努力，通過畢業設計、開放實驗室等多種辦法，逐步完善實驗系統。實踐結果表明，用虛擬實驗系統代替傳統實驗室，用軟件模擬實際硬件的全部功能，節約了成本，解決了沒有實驗室的難題，提高了教學效果；既培養了學生在數據采集和分析、計算機仿真系統方面的能力，同時又不忽略對硬件系統的認識，可以加深學生對所學知識的理解，提高動手能力。另外，探索用虛擬實驗系統代替傳統實驗室，可以為學校許多新增的電子電氣類課程開設實驗，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》實驗教學內容改革與實踐[J].實驗室科學.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[J].電氣電子教學學報，2007，29(1):85-87.

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