“計算機控制技術”新型教學平臺的構建＊

王 強，孫 堅

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌 443002)

“計算機控制技術”新型教學平臺的構建＊

王 強，孫 堅

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌 443002)

從大專業政策導向和培養創新型人才出發，從系統層面把握不同專業及課程內在聯系，以“一綱、兩體、四化”作為“計算機控制技術”新型教學平臺創建基本原則。理論教學采用從上到下教學模式，實踐環節構建“兩條途徑，三種層次”的實驗體系，既保持課程統一性、又體現不同專業對立性。采用面向對象編程方式、Matlab下GUI和電力系統工具箱等功能，開發計算機控制技術教學仿真演示系統，推進新型教學平臺構建。

教學平臺;GUI界面;Matlab/Simulink工具箱;教學仿真演示系統

1 構建新型教學平臺的背景和意義

教育部于1998年7月頒布的《普通高等學校本科專業目錄》，把504種專業調整到249種，這一政策導向要求教育工作者必須淡化小專業意識，樹立大專業思想。“計算機控制技術”是工科類電氣相關專業主干課程之一，存在概念抽象、數學理論強、難于理解等基本特征。隨著計算機技術的發展和多媒體設備的廣泛運用，借助多媒體設備、充分挖掘數字仿真軟件在教學中的優勢是當前教學手段主要改進方法之一［1］。由于Simulink是MatLab下的面向結構圖方式的仿真環境，其與用戶交互接口是基于Windows的圖形編程方法［2］，使用靈活，容易掌握。MATLAB的GUI不僅可用于設計監控演示系統功能模塊，而且還可以制作界面，調用MATLAB里的任何工具箱函數，甚至可用M語言很方便地編寫用于實現不同功能的函數。課程教學組利用Matlab/Simulink仿真軟件開發了一個較為完善的教學系統，實現仿真教學和傳統教學方式的相互補充。可滿足不同專業學生的教學需求，達到預期教學效果。

2 平臺構建基本思想——“一綱兩體四化”

“一綱”，說的是1門課程1份教學計劃大綱，即對原按專業設置的教學大綱，打破專業差異，采取就高不就低原則，推行統一的教學大綱和教學要求。對理論課程教學目的、深度及知識體系、教學進度和教學方法進行統一規定，并整合教師資源完善課程建設與實施。

“兩體”，即理論教學主體和實踐環節主體。在理論教學主體方面，打破過往按章逐節，條塊分割的講解，把計算機控制課程視為一個完整的系統，引導學生用系統的觀念去認識和把握該門課程，對課程采用從上到下模塊化分解模式。實踐環節主體，著力構建集驗證性、設計性實驗和特色性綜合設計實驗為一體的物理與仿真綜合實驗體系［3］。專業導師在理論課程接近尾聲時，根據專業設置情況開設專業導論課，介紹各專業最新發展動態，以幫助學生了解各專業學習內容及研究方向，使其結合自身興趣愛好和能力，合理選擇后期實踐性教學內容。

“四化”即教學過程的數字化、全程化、全員化和個性化。數字化，是借助多媒體設備、充分挖掘計算機仿真技術，使復雜、抽象的控制系統在分析、參數設計和系統組成方面變得簡單而具體。全程化，指的是在整個教學環節、每個工作日都安排老師進行答疑。全員化即課程教研組成員人人參與，建立面向全體學生服務意識和健全答疑制度。個性化指導，主要以提高學生專業技能和創新意識培養為目標，對每一專業、每個實踐小組進行“綜合設計一對一，指導服務一對一”培養模式。

3 課堂教學數字仿真平臺構建

3.1 教學仿真平臺設計方案

在計算機控制系統教學實踐中，開發一個基于Matlab軟件的“計算機控制技術”教學仿真演示系統和開放的教學平臺。平臺采用Matlab圖形用戶界面(GUI:Graphical User Interfaces)功能和面向對象進行編程的主流編程方式。其不僅可以調用MATLAB里的任何工具箱函數，很方便地設計人機交互界面(HMI);而且不會由于可能“過程”的變化導致無法重復調用這個“過程”，保證了“對象”相對于“過程”是一個穩定的單位。依據平臺構建基本思想，即理論教學從上到下的教改思路，“計算機控制技術”理論教學數字仿真平臺將“對象”和“類”按層次方式進行組織，圖形對象層次結構如圖1所示。第一層為根對象，其功能是保存系統狀態和信息的相關設置。為其它對象的父窗口。第二層用于整個圖形的窗口化，為

圖1 圖形對象層次結構圖

圖2 計算機控制技術教學系統主界面

為使用按鈕打開GUI主界面對應的子界面時，可在按鈕“Callback”的屬性中鍵入“子界面的文件名(* .fig)”和“close”，這樣通過點擊每個模塊對應的按鈕實現關閉當前界面，同時打開一個新的子界面，直接跳轉到相對應的具體模塊中。具體模塊將“計算機控制技術”教學內容中的系統數學建模、控制算法和系統工程實例等，可通過利用 Matlab軟件的 M文件、S-Function、工具箱等方法來建模、仿真并調試。

3.2 教學實例

在圖2計算機控制技術教學系統GUI主界面中，所用的控件有1個靜態文本框、6個按鈕。當使用“計算機控制技術仿真演示系統”進行實際教學時，如:教授控制算法，只需單擊主界面上對應的“控制算法及實例”按鈕，就可以打開圖3所示的“控制算法及算例—經典控制”子界面。以數字PID控制算法為例，在講授數字PID控制器設計時，可使用Simulink中的Subsystem構造功能，對數字PID控制器完成構造與封裝，如圖4所示。

圖3 經典控制教學子模塊界面

圖4 數字PID控制器設計與封裝

當點擊圖3“下一頁”按鈕，則關閉圖3，打開與形式上和圖3類似的“控制算法及算例—現代控制”GUI子界面。不過，需要說明的是，在“控制算法及算例—現代控制”子界面中和圖3界面的區別除了教學知識點的名稱不同外，最重要的區別是“關閉”按鈕代替了圖3“下一頁”按鈕。如點擊“關閉”按鈕，就直接返回到GUI主界面。

本文設計的教學仿真演示平臺，摒棄了Matlab進行計算機仿真以控制系統傳遞函數為基礎的傳統方法，采用Matlab提供的動態仿真工具Simulink電力系統工具箱(Simpower System Blockset)，面向控制系統電氣原理結構圖，對圖2“控制系統工程實例”模塊的控制系統進行仿真。下面以單閉環直流調速系統為例說明電力系統工具箱在教學仿真演示系統中的應用。

首先，點擊圖2中的“控制系統工程實例”按鈕，建立仿真模型新文件，以存放仿真系統模型。其次選擇相應器件模塊，在仿真窗口的菜單欄上調出模型瀏覽器，提取合適的模塊放在仿真平臺上。再次，按系統的電氣原理結構將各模塊連接起來。最后對系統各環節進行參數設置，生成圖5所示的單閉環直流調速系統仿真圖。當設置不同的控制參數時，便可觀察到轉速、電流和轉矩多種不同狀態下的仿真波形圖，非常方便觀察和比較分析。圖6為單閉環、無擾動調速系統控制性能和穩定性較好的轉速圖形。

學生通過結合某一工程實例，經過“系統-理論教學模塊-系統”螺旋式循環教學過程，潛移默化中不僅對整個系統的硬件組成比較熟悉，且對控制器參數調整所引發的控制性能變化也有一個較精確認識。

4 實驗平臺構建

4.1 實驗體系構建思想

一方面，在大專業教改原則下的“計算機控制技術”實踐教學中，構建一個對立統一的實踐體系是保證課程連續性和區別性，以滿足不同專業特點的內在需求。另一方面，受制于教學資金、場地等各因素制約及得利于Matlab軟件仿真功能的強大，教學團隊在實際操作中，把握“一個基本點，兩條途徑，三種層次”的從下到上教學思想［3］。一個基本點是指以培養學生應用創新能力為中心;學生從物理實驗和仿真實驗兩條途徑獲取互補學習的方法;三種層次是指實驗教學體系包含有驗證性實驗、設計性實驗和特色性綜合設計實驗三個層次的遞進。

圖5 單閉環直流調速系統仿真模型

圖6 調速系統較好情況下轉速曲形

4.2 實驗教學案例

第一層次驗證性實驗又分為限選項目和自選項目。限選項目主要定位為通識教育，主要有“數字量輸入輸出通道”、“模擬量輸入輸出通道”、幾類“經典控制算法”等。學生通過物理和仿真性實驗，有助于理解課堂所學知識，對課程重點加深認識和把握。而對于復雜控制系統，如“PC+Fieldbus、DCS、PC+PLC、PC+SLC”4 種典型控制系統的組建、復雜控制算法歸為自選項目，這部分內容主要由學生自主在開放實驗室仿真平臺上完成。

第二層次設計性實驗主要有“交流電動機速度控制”、“水塔水位控制”、“彩燈控制系統”等。學生可根據自身愛好和能力，進行自主選題和難易取舍，初步要求學生能查閱相關專業文獻，培養學生運用學過的知識和方法，發揮自己的思考和想象，自行編制控制算法程序來實現性能指標。如某學生選擇精確型“交流電動機速度控制”，在進行輔導時，指出交流電動機是一種非線性、多變量、強耦合的控制對象，其數學模型較難精確建立，為克服常規模糊控制器隸屬函數不變的缺陷，可考慮設計一種改進型免疫算法PID［4］或具有自我學習功能的控制器，詳細內容可通過查找相關文獻獲取。

特色性綜合設計實驗為第三層次，一般在完成第一層次和相關理論課程教學后，以興趣愛好或專題形式進行。經過學生報名和教師篩選，讓一部分有能力、有潛力的本科同學進入實驗室學習和研究。在這一過程中，教給他們科學的工作方法，使他們學會利用圖書館、網絡等資源查閱資料，提出解決方案并進行論證。每個特色性綜合設計實驗題目均以工程實際需求為背景，如:設計題目“程控型高穩定輸出交流電壓源研制”，教師組織興趣組學生對方案的總體設想和技術路線進行引導;在系統裝置控制策略把握上，提醒同學使用輸出電壓瞬時值反饋可提高輸出的穩態精度滿足性能指標要求，但這可能帶來系統的不穩定，用并聯微分校正——引入濾波電容器電流反饋可達到改善系統穩定性的目的。這種啟發式、互動式教學方式，有利于培養學生思維縝密的科學方法，達到創新型人才培養目的。

5 結語

本文從教育部要求的樹立大專業思想政策導向出發，挖掘利用現代教育設備潛能，對計算機控制技術課程新型教學平臺進行創建與實踐。其主要改進點是:

一是從系統層面上有效把握和認識不同專業及課程的內在聯系，實現了認識層面從孤立到系統的轉變，有助于知識的融會貫通。

二是利用Matlab圖形用戶界面GUI功能及其面向對象進行編程的主流編程方式，完成教學仿真演示系統開發。利用電力系統工具箱對計算機控制系統進行仿真建模和分析應用。能擺脫課程學時少的制約，為學生從物理實驗和仿真實驗“兩條途徑”獲取互補學習奠定基礎;使學生在潛移默化中熟悉系統的硬件完整組成，對控制器參數調整所引發的控制性能變化有一較為精準的認識。

三是計算機教學仿真演示系統基本上包含了“計算機控制技術”主要典型教學內容，可滿足日常教學需要。通過仿真過程，既可以看到數學模型的變化(本質上產生了什么)，又可以感觀到虛擬的“結果”(表面上發生了什么)。直觀、生動的再現控制系統結構和控制性能，激發了學生的學習興趣和主動性。

［1］孫 堅，王 強.數字環境下“電力電子技術”教學方式的改進［J］.電氣電子教學學報，2011，33(5):115-116.

［2］胡異丁，甘俊英.MatLab軟件在信號與系統實踐教學中的意義［J］.實驗室科學，2008(3):106-108.

［3］王 強，孫 堅.“電力電子技術”教學的改革與實踐［J］.中國電力教育，2011(6):177-178.

［4］王 強，錢 敏，等.改進型免疫算法PID設計及在調速系統中的應用，電氣傳動，2009，39(2):56-60.

G642.0

A

1674-5884(2014)02-0104-03

2013-11-10

三峽大學教學研究項目(J2011057和1143)

王 強(1974-)，男，江西撫州人，副教授，工學碩士，主要從事電力電子、新能源發電和配網自動化研究。圖形窗口對象。第三層用于MATLAB與用戶之間的可視化操作界面，該交互式界面由“對象選擇區”、“工具欄”、“狀態欄”和“布局區”四部分組成。對象選擇區中由Push Button、Radio Button、Edit Text等組成;工具欄用于對象對齊、屬性查看等;狀態欄用于顯示GUI對象的標示符和位置大小，鼠標所在窗口坐標值等;布局區用作查看CALLBACK函數、編輯M文件等功能。第四層為組對象及核心對象，用來繪制圖形基本元素，系統自動為對象返回標識此對象的數值(對象的句柄)，通過句柄查看、修改對象的屬性。經編譯后，整套教學仿真演示系統人機交互界面及主框架如圖2所示。

(責任校對 龍四清)