虛擬仿真實驗平臺在研究生控制類課程中的運用

李彥江，譚沖，呂建婷，鞏誠

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虛擬仿真實驗平臺在研究生控制類課程中的運用

李彥江1，譚沖2，呂建婷1，鞏誠1

（1. 黑龍江大學 數學科學學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2. 哈爾濱理工大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

針對控制類專業課程的教學特點，在傳統的課堂演示教學和實驗教學的基礎上，借助虛擬仿真技術構建虛實結合的虛擬仿真實驗，是提高學生實踐動手能力的有力補充和有效途徑．研究了虛擬仿真實驗教學如何在高校研究生控制類專業課程教學過程中發揮作用，為實驗教學以及師生互動提供便利的條件，為運籌學與控制論專業人才的能力培養奠定基礎．

虛擬仿真實驗平臺；控制類課程；實驗教學

控制理論作為控制科學與工程學科的基礎課程[1]，主要講述系統控制科學中具有新觀念、新思想的理論研究成果．在各個領域中，特別是高科技領域中都發揮著重要的作用．在研究生控制類專業課程的教學中，培養目標是使學生通過課程的學習，既掌握理論基礎知識，又具備實踐操作能力、工程素養及創新精神[2]．如何對傳統的理論教學進行改革，融入新的教學手段，以提高教學質量是非常重要的．近年來，計算機技術飛速發展，虛擬仿真教學逐步被引入到教學環節中．虛擬仿真教學就是基于實際系統的模型，利用計算機軟件模擬出真實工程場景，讓學生在虛擬的環境下進行學習和研究．這種教學方式的優點在于可以避免傳統教學環節中，利用實驗箱進行實驗所帶來的耗時時間長，占用課時多等弊端，從而可以節省大量耗材，有效降低成本[3]．并且，這種教學方法生動形象，更貼近現實工作場景和實際工程系統，有利于提高學生興趣，使學生在短時間內融入相應工作場景，真實地體驗在現實生活中進行設計、控制與操作的感覺，以達到更快掌握操作技能的目的[4]．本文主要論述虛擬仿真實驗教學系統作為一項新的教學手段在控制類課程實驗教學中的運用以及在教學中的優勢．

1虛擬仿真實驗平臺在研究生控制類課程教學中的應用

研究生控制類課程理論教學中所涉及到的多為先進控制理論[5-8]，如最優控制、網絡控制和智能控制理論等，分析與控制的對象主要為復雜系統．因此，在理論環節，學生很難僅僅通過教師的理論講解真正理解抽象復雜的系統分析、控制器設計與實際操作過程，必須通過實驗加強對理論知識的理解與實際動手能力的培養．與理論教學相結合的實驗內容主要是針對某類復雜系統（如航天器、機器人編隊等），進行系統性能分析與控制器的設計．一般來說，很少有實驗室具備這樣的實驗條件．為了解決這個問題，可以引入虛擬仿真實驗教學系統．教師可以借助系統構建虛擬的實際系統，利用系統中的實驗原理動畫演示和實驗操作視頻等更加形象具體地進行課程講解與介紹，加深學生對實驗背景理論知識的理解，從而對整個系統分析、控制器設計、實際操作被控系統的流程形成更加深刻的認識．研究生根據控制類相關課程實驗指導，通過理論分析，可以制定出詳細具體的實驗步驟，從而有助于完成整個實踐環節．

將虛擬仿真實驗教學系統這一先進教學手段引入到研究生控制類課程教學環節，可以有效地克服傳統教學中枯燥講述的抽象難懂，并有效地提高學生的學習興趣，提高實踐動手能力，降低實驗成本．

對于某個新的實驗內容，在傳統教學中，學生僅僅通過實驗指導書作為指導材料，很難理解整個實驗流程（系統性能分析、控制器設計、實際操作被控系統）．而虛擬仿真實驗平臺可以提供系統直觀的視圖、操作視頻和人機交互的虛擬實驗操作，學生可以直觀生動地對所學內容進行了解．另外，隨著網絡化技術的日益成熟，虛擬仿真實驗可以通過網絡進行資源整合，從而使學生更加方便地通過網絡進行實驗．對于特別復雜的系統，可能由于各種原因導致在課堂實驗過程中實驗失敗，沒有得到預期的結果．但是限于課堂時間有限，學生往往無法系統地完成分析失敗原因——重新設計控制器——再驗證這一過程．而虛擬仿真平臺的網絡系統為學生的課后實驗提供了資源，學生可借助網絡系統完成分析失敗原因——重新設計控制器——再驗證這一過程．這樣可以使學生在學習的過程中獲得最大的收益，以提高其對基礎理論的掌握，特別有助于提高其實踐動手能力與獨立思考能力．

如在模糊控制課程中，對倒立擺進行模糊控制器的設計．可借助虛擬仿真實驗平臺建立倒立擺模型，根據模糊控制器的設計方法，針對倒立擺系統設計控制器．在虛擬仿真平臺上可以提供倒立擺系統直觀的視圖，可以直觀生動地對模糊控制器的設計、系統中控制策略的執行和系統性能的分析全面了解，有助于研究生對基礎理論的理解及實踐動手能力的培養．

2虛擬仿真實驗平臺在研究生控制類課程教學中的優勢

由于研究生控制類課程所涉及到的課程多為先進控制理論，所針對的分析與設計對象多為復雜系統，如果在實驗室搭建這類系統的模型需要大量的實驗模塊和元器件，教學成本非常高，并且無法應用于大規模的實驗課．另一方面，受實驗場地和實驗學時的限制，控制類實驗課只能開設一些比較常規、典型的實驗，與實際系統有一定的距離．使學生無法將課堂所學的理論知識與生產生活中的實際系統聯系起來，導致理論與實際相脫節，無法獲得實際操作經驗，從而使得實踐動手能力較弱．

而無法常規展開的實驗系統完全可以通過虛擬仿真實驗平臺來實現，如飛行器編隊等一些大規模、具有高復雜性的系統．學生可以借助虛擬仿真實驗平臺，了解網絡化控制系統的原理及控制器設計方法，幫助學生深入理解網絡化控制系統中的相關知識．通過人機交互進行系統分析與控制器的設計，真實體驗整個系統的分析、設計與控制過程．將枯燥的理論學習過程變得真實、有趣，從而提高學生的學習興趣，并與實際系統緊密結合在了一起，可以充分鍛煉學生運用理論知識解決實際問題的實踐動手能力與創新能力．借助于虛擬仿真實驗平臺，既節省了大量的實驗耗材，也無需多名教師的反復指導，可以更好地完成教學目的．

3結論

根據控制類學科研究生教學的特點，在教學中，借助虛擬仿真實驗平臺，將理論學習與對實際系統的分析、設計和控制相結合，做到虛實結合，可以有效地提高學生的學習興趣，培養學生的實踐動手能力與分析和解決實際問題的能力．

[1] 王國軍，陳松喬．自動控制理論發展綜述[J]．微型機與應用，2000（6）：4-7

[2] 余雷，王富東，楊歆豪，等．控制類課程工程化教學模式的探討[J]．電氣電子教學學報，2014，36（2）：7-8

[3] 李欣，鄭越．基于控制類學科方向研究生核心能力培養的研究[C]//中國學位與研究生教育學會德育委員會第九屆學術年 會論文集，2014

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[5] 韓芝俠，魏遼博，韓宏博，等．仿真虛擬實驗教學的研究與實踐[J]．實驗技術與管理，2006，23（5）：63-65

[6] 劉春生，張紹杰，王晶．“最優控制理論”研究生課程教學的探索與實踐[J]．電氣電子教學學報，2015，37（3）：30-32

[7] 岳東．網絡控制系統的分析與綜合[M]．北京：科學出版社，2007

[8] 劉濤，黃梓瑜．智能控制系統綜述[J]．信息通信，2014（8）：101-102

HLJ_2015056）；2015年黑龍江大學學位與研究生教育教學改革研究項目（GXM_YJS_2015008）

Application of virtual simulation experimental platform for postgraduate control courses

LI Yan-jiang1，TAN Chong2，Lü Jian-ting1，GONG Cheng1

（1. School of Mathematical Science，Heilongjiang University，Harbin 150080，China；2. School of Automation，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

According to teaching characteristics of control courses，except of the traditional classroom teaching and experimental teaching，the virtual simulation teaching and learning environment built by virtual simulation technology，are a powerful supplement and effective way to improve students′ practical ability．Researched how the virtual simulation teaching play a role in postgraduate control courses is studied，which is convenient to experimental teaching and teacher-student interaction，and can lay a foundation of cultivating students′ practical ability in operational research and cybernetics specialty．

virtual simulation experimental platform；control course；experimental teaching

O23∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.03.013

2015-12-02

2014年黑龍江省高等學校教改工程資助項目（JG2014011142）；2015年黑龍江省學位與研究生教育教學改革研究項目（JGXM_

李彥江（1980-），男，黑龍江哈爾濱人，副教授，博士，從事網絡化控制系統和T-S模糊系統研究．E-mail：zottf@163.com