應用型本科院校《自動控制原理實驗》教學改革的探索與實踐

濱州學院自動控制研究中心 高聯學

濱州技術學院 曹洪霞

1.引言

自動控制原理課程是自動化、電氣工程、電子信息、通信工程等專業非常重要的專業基礎課，具有知識理論系統性較強，概念抽象，實踐應用性強等特點。單純的課堂教學容易造成理論和實踐脫節的情況，特別是應用型本科院校更應重視實驗教學。搞好實驗教學是整個自動控制理論教學過程中及其重要的環節，可以使學生更好地理解基礎知識，更好地實現理論和實踐的結合[1]。但是傳統的實驗箱教學法受實驗條件、儀器設備條件及一些人為因素的限制，往往得不到預期的實驗效果。

Matlab仿真教學法雖能夠彌補實驗箱教學法的不足，但受程序編寫的限制，部分同學的實驗效果并不理想。基于Multisim的虛擬實驗教學法可以彌補上述兩種實驗教學法的不足，極大地提高了學生做實驗的積極性和主動性。

2.傳統實驗箱教學方法

我校電氣工程與自動化專業開設的自動控制原理實驗采用的是labACT自動控制/計算機控制原理實驗箱。下面簡單介紹一下該實驗箱的構成及實驗箱的主要功能。

2.1 實驗箱的組成

labACT自動控制/計算機控制原理實驗箱由以下七個模塊組成：(1)自動控制原理實驗模塊；(2)計算機控制原理實驗模塊；(3)信號源模塊；(4)控制對象模塊；(5)虛擬示波器模塊；(6)控制對象輸入顯示模塊；(7)CPU控制模塊。

自動控制原理實驗模塊由模擬運算單元及模擬運算擴充庫組成，這些模擬運算單元的輸入回路和反饋回路上配有多個各種參數的電阻、電容，因此可以完成各種自動控制模擬運算。例如構成比例環節、慣性環節、積分環節、比例微分環節，PID環節和典型的二階、三階系統等。利用本實驗機所提供的多種信號源輸入到模擬運算單元中去，再使用本實驗機提供的虛擬示波器界面可觀察和分析各種自動控制、計算機控制原理實驗的響應曲線，如圖1所示。

圖1 各模塊相互交聯關系框圖

2.2 實驗箱的主要功能

(1)顯示與功能選擇模塊及函數發生器：由5位8段數碼管、16個指示燈、四個功能選擇按鍵和3個測試孔組成。該實驗區是獨立于實驗機的CPU控制模塊，提供控制對象輸出顯示，並實現函數發生器的十種(可選擇)波形輸出切換控制和顯示。函數發生器是各函數及波形發生的控制和輸出模塊，它含有十種(可選擇)波形輸出，有4個函數波形調節電位器、1個波形量程選擇開關和各函數發生的輸出口組成。各波形和函數的輸出選擇在模塊中選擇設置。

(2)數模轉換器：采用ADC0832作為數/模轉換，可實現8bit數字輸入轉換為模擬量。數字0～0FFH輸入，經數/模轉換后輸出測孔1輸出為0～+5V模擬量。經運放處理后，在輸出測孔2輸出為-5V～+5V。

(3)虛擬示波器：該虛擬示波器提供兩通道模擬信號輸入測孔，配合上位機軟件的示波器窗口，可以實現波形的顯示、存儲，可以有效的觀察實驗中各點信號的波形。虛擬示波器每個輸入通道都配有量程開關，當量程開關撥到×1位置，表示輸入不衰減，輸入范圍-5V～+5V，如果超出此范圍，應把量程開關撥到×5位置，此時輸入信號將被衰減5倍。

(4)模數轉換器：機采用DAC0809作為模/數轉換，可實現8bit數字輸出。

(5)定時器、中斷單元：本單元提供CPU控制模塊中的定時器8253的計數器1、計數器2測孔；8259中斷控制器測孔。

這種實驗箱教學法的特點是直觀、簡單，能夠提高學生的實際動手操作能力。但是在實驗教學中發現，大多數學生只要按照實驗教材上的步驟，一步步的去做，就能順利的完成數據的測試和波形的輸出。這種實驗教學方式在很大程度上限制了學生的思維創新能力和創造力，限制了學生做實驗的積極主動性，也不利于學生工程實踐能力的培養[2]。

3.Matlab仿真教學法

Matlab作為實驗仿真常用軟件之一，在進行實驗項目的開發時能夠有效的彌補某些傳統實驗箱的不足，充分利用其圖形用戶界面設計技術強的仿真功能完成原來在實驗箱上所要完成的實驗，不僅可以將抽象的理論知識運用文字、圖形、數據等多種形式展示出來，更為實驗教學提供了一個操作簡便、界面友好的仿真環境。Matlab是一種面向對象的交互式程序設計語言，具有友好的用戶界面及接近數學表達式的自然化語言、高效的數值計算及符號計算功能、完備的圖形處理功能以及功能豐富的應用工具箱等特點。在利用其進行工程計算和系統仿真時，可以略去復雜的理論推導過程，使得編程更加快捷方便，易于實現。在設計界面內，學生可以根據提示完成整個實驗過程[3]。

這種實驗方法主要是根據數學模型進行編程、仿真，能夠對實驗箱所得出的實驗結果進行驗證。但是對于那些數學建模不擅長，編程能力不夠的同學來說這種實驗方法存在一定的難度。

4.基于Multisim的虛擬實驗教學法

4.1 虛擬實驗教學法的特點

使未做過實驗的學生通過仿真軟件對實驗的整體環境、所用儀器的整體結構能建立起直觀的認識。儀器的任何部位可拆卸，可解剖進行調整并實時觀察儀器的各種指標和內部結構的動作，增強了熟悉儀器功能和使用方法的訓練。在實驗中儀器實現了模塊化，學生可對提供的儀器進行選擇和組合，用不同的方法完成同一實驗目標，培養學生的設計思考能力和對不同實驗方法的優劣、誤差大小的比較、判斷能力。軟件能通過深入解剖教學過程，設計上充分體現教學思想的指導，使學生必須在理解的基礎上認真思考才能正確操作，克服了實驗中出現的盲目操作和實驗“走過場”現象的缺點，使學生切實受益，大大提高了實驗教學的質量和水平。

4.2 虛擬實驗教學法實現形式

基于Multisim的自動控制虛擬實驗教學系統實現了基于Internet上的遠程網絡教學，并實現“自動控制分布式遠程虛擬實驗教學系統”的遠程實驗報告管理，具有一定的規模和水準，該軟件通過計算機把實驗設備、教學內容、教師指導和學生的操作有機地融合為一體，形成了一部活的、可操作的自動控制實驗教科書。通過虛擬仿真自動控制實驗學習，加深了學生對實驗的物理思想和方法、儀器的結構及原理的理解，達到實際實驗難以實現的效果，實現了培養動手能力，學習實驗技能，深化理論知識的目的，同時增強了學生對自動控制實驗的興趣，大大提高了實驗教學水平，是實驗教學改革的有力工具，增強實驗環境的模擬。

實驗中待測的控制變量隨機產生，以適應同時實驗的不同學生和同一學生的不同次操作有不同的正確結果。對實驗誤差也進行了模擬，以評價實驗質量的優劣。對學生的實驗報告進行數據庫管理，可以存儲、評閱、查看和打印。

用Multisim進行仿真模擬實驗，實驗過程非常接近實際操作的效果。各元器件選擇范圍廣，參數修改方便，不會象實際操作那樣多次地把元件焊下而損壞器件和印刷電路板。使電路調試變得快捷方便。對《自動控制原理》課程中的絕大部分電路都能應用，不僅能用于對單個電路特性和原理進行驗證，也能就用于復雜的組合電路。

在虛擬實驗室做實驗，可以避免真實實驗或操作所帶來的各種危險.以往對于危險的或對人體健康有危害的實驗，一般采用看電視錄象的方式來取代做實驗，學習者無法直接參與實驗，獲得感性認識。利用虛擬現實技術做實驗則可以免除這種顧慮。學習者在虛擬實驗環境中，可以放心的去做各種危險或危害人體的實驗。

5.結論

本文分析了傳統的實驗箱教學法、Matlab仿真教學法和基于Multisim的虛擬實驗教學法的優缺點。在自動控制原理實驗的教學過程中應用Multisim進行虛擬實驗，可為教學提供極大地方便，可省去用實際元器件安裝、調試電路的過程，同時還能夠啟發學生從驗證實驗的傳統思維逐步轉向電路分析、故障排除和電路設計等方面過渡，這對于學生今后的發展非常有用[4]。

[1]張棟.自動控制原理實驗教學改革探索與實踐[J].實驗室科學,2011,14(5)：37-40.

[2]柳明,王海軍,郭慶葉.自動控制原理實驗教學改革與實踐[J].實驗室科學,2012,15(4)：58-60.

[3]盛立,高明.“自動控制原理”課程建設與改革的新思路[J].濱州學院學報,2012,28(3)：112-115.

[4]唐成祥.Multisim 11仿真實驗技術在電子線路課程教學中的應用[J].廣西教育,2012(9)：185-186.