自動化專業(yè)實驗設(shè)備的自主研制與二次開發(fā)

侯 震，楊婷婷，劉文泉，杜新虎

(西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，陜西 西安 710072)

隨著我國高等教育教學(xué)改革的不斷深入，高校在進(jìn)一步提升實驗教學(xué)環(huán)節(jié)對培養(yǎng)學(xué)生綜合能力、創(chuàng)新精神等方面的探索與實踐也在不斷加強[1]。而如何提供給學(xué)生合理、高效的實驗教學(xué)設(shè)備是這項工作中的重點、難點[2-3]。有了實實在在的硬件支撐平臺，教學(xué)體系的完善、實驗教學(xué)模式的改變、實驗教學(xué)方法的更新等相關(guān)工作的開展就不再是紙上談兵、水中望月。項目組根據(jù)我校自動化專業(yè)實驗室經(jīng)費投入有限、學(xué)生接待量大等具體情況，制定了自主研制與二次開發(fā)同時并行的思路。

1 自主研制

“自動控制原理”是自動化專業(yè)最主要的一門專業(yè)主干課程[4]，原有的配套實驗設(shè)備已經(jīng)老化，無法滿足課程的基本需求。國內(nèi)市場上的設(shè)備設(shè)計過于粗糙，知識點之間缺乏貫穿綜合，項目組決定自主研制。

ACES-II自動控制綜合實驗平臺在設(shè)計時，除了考慮滿足提出的基本技術(shù)指標(biāo)外，還著重考慮了實驗系統(tǒng)的綜合性、多用途以及高效可靠等方面的實際教學(xué)需求。實驗平臺硬件采用NI(美國國家儀器)公司USB總線數(shù)據(jù)采集模塊，軟件采用NI公司Labwindows/CVI開發(fā)?？蛇M(jìn)行“自動控制原理”、“現(xiàn)代控制理論”、“計算機控制”和“虛擬儀器技術(shù)”4門課程的配套實驗，以及綜合性實驗、自主創(chuàng)新實驗、相關(guān)課程的課程設(shè)計等教學(xué)實踐環(huán)節(jié)。配套的軟件界面如圖1所示，包括直流電機轉(zhuǎn)速、水箱液位、加熱源溫度3個控制對象，均具有內(nèi)部和外部2種控制方式。學(xué)生不但可以通過計算機進(jìn)行數(shù)字PID控制，也可利用實驗電路區(qū)搭建各種控制回路，實現(xiàn)對控制對象的控制。

圖1 ACES-II 虛擬示波器界面

實驗電路區(qū)所有實驗參數(shù)的選擇和設(shè)定均通過撥動開關(guān)實現(xiàn)選擇和切換，通過開關(guān)選擇不同的電阻電容，實現(xiàn)參數(shù)調(diào)整，如圖2所示。這種設(shè)計大大簡化了電路連接，增加了系統(tǒng)的可靠性[5]。實驗臺采用全鋼板結(jié)構(gòu)，元器件經(jīng)過嚴(yán)格篩選。所有連接線均采用帶硬彈簧φ4mm連接頭的2.5mm2連線，連接接觸可靠，不宜損壞，適合多班次學(xué)生實驗使用。功能區(qū)全部采用模塊結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一接口，易于維護(hù)和更換。

圖2 實驗電路區(qū)1功能面板示意圖

2 二次開發(fā)

二次開發(fā)主要是針對以下2類設(shè)備：

(1) 實驗室已有的一些設(shè)備，主要功能雖然完好，但是以驗證性實驗項目為主。實驗項目的設(shè)計沒有從課程和專業(yè)的總體出發(fā)，相互獨立、沒有聯(lián)系、過于粗糙，沒有明確體現(xiàn)出實際工程應(yīng)用背景，有一些為了實驗而實驗的感覺。

(2) 另外還有一些設(shè)備，由于購買年代較早，沒有數(shù)字化的功能，不能直接和計算機連接，影響了功能的進(jìn)一步提升。對于這兩類設(shè)備，完全丟棄報廢不但過于可惜，而且重新建設(shè)無論從方式上還是經(jīng)費方面都不現(xiàn)實。

我們認(rèn)為以現(xiàn)有設(shè)備為基礎(chǔ)平臺、在費用投入很低的前提下，充分發(fā)揮教師的創(chuàng)造力、挖掘現(xiàn)有資源、改造現(xiàn)有設(shè)備、重新規(guī)劃設(shè)計能夠激發(fā)學(xué)生主動進(jìn)行實驗的自主類實驗項目，是一種切實可行的方案。

2.1 “傳感器與檢測技術(shù)實驗臺”二次開發(fā)

實驗室現(xiàn)有“傳感器與檢測技術(shù)實驗臺”10套，可進(jìn)行包括多種常用傳感器在內(nèi)的20余種實驗項目，主要以驗證性實驗項目為主。經(jīng)過對現(xiàn)有設(shè)備和資源進(jìn)行整合、改造，二次設(shè)計開發(fā)自主類實驗項目15項，課內(nèi)33學(xué)時，經(jīng)費投入少于3萬元。

如圖3所示，綜合性實驗項目中傳感器不再單獨出現(xiàn)，而是從課程的整體內(nèi)容出發(fā)，把課程中的多個知識點組合在一起，方便學(xué)生比較和對各知識點特點的掌握。調(diào)理電路部分的實驗項目是在前面綜合性項目的基礎(chǔ)上產(chǎn)生，所有的調(diào)理電路均考慮工程實際應(yīng)用需要，提出明確的技術(shù)指標(biāo)，而不是簡單的原理驗證[6]。計算機檢測控制部分使用NI(美國國家儀器)和研華的PCI、USB等總線采集卡，引入虛擬儀器的概念，與目前的實際工程應(yīng)用相對應(yīng)。同時，在這部分實驗項目設(shè)計時著重考慮學(xué)生對所學(xué)專業(yè)多門課程知識的融會與應(yīng)用，而不僅只是局限于傳感器與檢測技術(shù)一門課程。提高部分實驗項目不列入實驗教學(xué)課時，學(xué)生可以在課外選做[7]。根據(jù)實際的教學(xué)計劃，這幾部分的內(nèi)容也可進(jìn)行多種組合和刪減。

圖3 自主類實驗項目組成

2.2 “直流隨動系統(tǒng)學(xué)習(xí)機”二次開發(fā)

實驗室現(xiàn)有的“XSJ-2直流隨動系統(tǒng)學(xué)習(xí)機”結(jié)構(gòu)合理、組成元件具有較強代表性，在近些年的實驗教學(xué)中發(fā)揮了很好的作用，但是沒有數(shù)字化功能。隨著計算機控制、網(wǎng)絡(luò)化控制、虛擬儀器等新的具有明確實際工程應(yīng)用背景的課程內(nèi)容的不斷加強，對實驗教學(xué)設(shè)備數(shù)字化功能、網(wǎng)絡(luò)化功能的要求越來越明確。隨動系統(tǒng)實驗裝置的數(shù)字化改造方案如圖4所示[8]。

圖4 隨動系統(tǒng)數(shù)字化改造組成框圖

數(shù)據(jù)采集模塊選用美國國家儀器(NI)公司的USB總線數(shù)據(jù)采集卡USB-6009。調(diào)理電路部分主要完成把反饋電位器輸出、測速發(fā)電機輸出電壓范圍調(diào)理為+5 V ～-5 V，以及調(diào)整USB-6009輸出的模擬電壓控制信號，達(dá)到方便采集卡采樣和下一級的功率放大電路工作的目的。數(shù)據(jù)采集模塊通過USB接口由計算機供電，調(diào)理電路從XSJ-2直流隨動系統(tǒng)學(xué)習(xí)機實驗面板直接取電，實驗裝置不需再另外添加電源[9-10]。轉(zhuǎn)速給定、位置給定以及控制算法等功能的實現(xiàn)，均可在計算機中通過軟件完成。該裝置的軟件部分采用美國國家儀器公司的圖形化編程語言LabVIEW7.0開發(fā)[11]。

經(jīng)過數(shù)字化改造后的隨動系統(tǒng)實驗裝置，由于我們沒有改變原有實驗設(shè)備任何的功能和結(jié)構(gòu)，所以該實驗裝置除了可完成原有的開環(huán)控制系統(tǒng)、直流電機轉(zhuǎn)速控制、位置隨動等典型模擬實驗內(nèi)容外，還添加了直流電機轉(zhuǎn)速計算機控制實驗、數(shù)字式位置隨動系統(tǒng)實驗、網(wǎng)絡(luò)化控制實驗等典型數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的實驗內(nèi)容[12]。

3 結(jié)束語

新形勢下，如何切實有效提升實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的質(zhì)量，一切為了學(xué)生是我們每個教育工作者都要面對的任務(wù)。雖然困難不少，但是我們相信設(shè)計開發(fā)符合時代發(fā)展需求的綜合性設(shè)計性實驗項目，讓它適應(yīng)實驗教學(xué)發(fā)展的要求為教學(xué)服務(wù)，是一項具有很大操作空間的新課題。

[1] 侯震，張潔.挖掘整合實驗室資源開發(fā)綜合型設(shè)計性實驗[J].實驗技術(shù)與管理，2010，27(3)：121-123.

[2] 王光明，張玘.測控技術(shù)專業(yè)實驗教學(xué)改革[J].實驗室研究與探索，2008，27(3)：106-108.

[3] 劉曉文，薛雪，陳佳真.電路實驗立體化教材的建設(shè)與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2013，30(12)：18-21.

[4] 胡壽松.自動控制原理 [M].4版.北京：科學(xué)出版社，2001.

[5] 賽爾吉歐·佛朗哥(美).基于運算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計 [M]. 3版.西安：西安交通大學(xué)出版社，2004.

[6] 孫建民，楊清梅.傳感器技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[7] 松井邦彥(日).傳感器實用電路設(shè)計與制作[M].梁瑞林,譯.北京：科學(xué)出版社，2005.

[8] 清華大學(xué)科教儀器廠.XSJ-2型小功率隨動系統(tǒng)學(xué)習(xí)機實驗指導(dǎo)書[Z].1998.

[9] 楊樂平，李海濤，楊磊. LabVIEW程序設(shè)計與應(yīng)用 [M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[10] 王超，李可，杜奔新.虛擬儀器技術(shù)在實驗中應(yīng)用的研究[J].實驗技術(shù)與管理，2013，30(12)：105-107.

[11] 王偉，孟祥貴，安寅.基于工程教育的實驗教學(xué)模式探索[J].實驗技術(shù)與管理，2013，30(10)：172-174.

[12] 高金源.計算機控制系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社，2003.