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(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2. 哈爾濱理工大學(xué) 自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

針對控制類專業(yè)課程的教學(xué)特點，在傳統(tǒng)的課堂演示教學(xué)和實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上，借助虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建虛實結(jié)合的虛擬仿真實驗，是提高學(xué)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(xué)如何在高校研究生控制類專業(yè)課程教學(xué)過程中發(fā)揮作用，為實驗教學(xué)以及師生互動提供便利的條件，為運籌學(xué)與控制論專業(yè)人才的能力培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)．

虛擬仿真實驗平臺；控制類課程；實驗教學(xué)

控制理論作為控制科學(xué)與工程學(xué)科的基礎(chǔ)課程[1]，主要講述系統(tǒng)控制科學(xué)中具有新觀念、新思想的理論研究成果．在各個領(lǐng)域中，特別是高科技領(lǐng)域中都發(fā)揮著重要的作用．在研究生控制類專業(yè)課程的教學(xué)中，培養(yǎng)目標是使學(xué)生通過課程的學(xué)習(xí)，既掌握理論基礎(chǔ)知識，又具備實踐操作能力、工程素養(yǎng)及創(chuàng)新精神[2]．如何對傳統(tǒng)的理論教學(xué)進行改革，融入新的教學(xué)手段，以提高教學(xué)質(zhì)量是非常重要的．近年來，計算機技術(shù)飛速發(fā)展，虛擬仿真教學(xué)逐步被引入到教學(xué)環(huán)節(jié)中．虛擬仿真教學(xué)就是基于實際系統(tǒng)的模型，利用計算機軟件模擬出真實工程場景，讓學(xué)生在虛擬的環(huán)境下進行學(xué)習(xí)和研究．這種教學(xué)方式的優(yōu)點在于可以避免傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)節(jié)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(jié)省大量耗材，有效降低成本[3]．并且，這種教學(xué)方法生動形象，更貼近現(xiàn)實工作場景和實際工程系統(tǒng)，有利于提高學(xué)生興趣，使學(xué)生在短時間內(nèi)融入相應(yīng)工作場景，真實地體驗在現(xiàn)實生活中進行設(shè)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(xué)系統(tǒng)作為一項新的教學(xué)手段在控制類課程實驗教學(xué)中的運用以及在教學(xué)中的優(yōu)勢．

1虛擬仿真實驗平臺在研究生控制類課程教學(xué)中的應(yīng)用

研究生控制類課程理論教學(xué)中所涉及到的多為先進控制理論[5-8]，如最優(yōu)控制、網(wǎng)絡(luò)控制和智能控制理論等，分析與控制的對象主要為復(fù)雜系統(tǒng)．因此，在理論環(huán)節(jié)，學(xué)生很難僅僅通過教師的理論講解真正理解抽象復(fù)雜的系統(tǒng)分析、控制器設(shè)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(yǎng)．與理論教學(xué)相結(jié)合的實驗內(nèi)容主要是針對某類復(fù)雜系統(tǒng)（如航天器、機器人編隊等），進行系統(tǒng)性能分析與控制器的設(shè)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(xué)系統(tǒng)．教師可以借助系統(tǒng)構(gòu)建虛擬的實際系統(tǒng)，利用系統(tǒng)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(xué)生對實驗背景理論知識的理解，從而對整個系統(tǒng)分析、控制器設(shè)計、實際操作被控系統(tǒng)的流程形成更加深刻的認識．研究生根據(jù)控制類相關(guān)課程實驗指導(dǎo)，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(huán)節(jié)．

將虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)這一先進教學(xué)手段引入到研究生控制類課程教學(xué)環(huán)節(jié)，可以有效地克服傳統(tǒng)教學(xué)中枯燥講述的抽象難懂，并有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)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(nèi)容，在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生僅僅通過實驗指導(dǎo)書作為指導(dǎo)材料，很難理解整個實驗流程（系統(tǒng)性能分析、控制器設(shè)計、實際操作被控系統(tǒng)）．而虛擬仿真實驗平臺可以提供系統(tǒng)直觀的視圖、操作視頻和人機交互的虛擬實驗操作，學(xué)生可以直觀生動地對所學(xué)內(nèi)容進行了解．另外，隨著網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的日益成熟，虛擬仿真實驗可以通過網(wǎng)絡(luò)進行資源整合，從而使學(xué)生更加方便地通過網(wǎng)絡(luò)進行實驗．對于特別復(fù)雜的系統(tǒng)，可能由于各種原因?qū)е略谡n堂實驗過程中實驗失敗，沒有得到預(yù)期的結(jié)果．但是限于課堂時間有限，學(xué)生往往無法系統(tǒng)地完成分析失敗原因——重新設(shè)計控制器——再驗證這一過程．而虛擬仿真平臺的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為學(xué)生的課后實驗提供了資源，學(xué)生可借助網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完成分析失敗原因——重新設(shè)計控制器——再驗證這一過程．這樣可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中獲得最大的收益，以提高其對基礎(chǔ)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(shè)計．可借助虛擬仿真實驗平臺建立倒立擺模型，根據(jù)模糊控制器的設(shè)計方法，針對倒立擺系統(tǒng)設(shè)計控制器．在虛擬仿真平臺上可以提供倒立擺系統(tǒng)直觀的視圖，可以直觀生動地對模糊控制器的設(shè)計、系統(tǒng)中控制策略的執(zhí)行和系統(tǒng)性能的分析全面了解，有助于研究生對基礎(chǔ)理論的理解及實踐動手能力的培養(yǎng)．

2虛擬仿真實驗平臺在研究生控制類課程教學(xué)中的優(yōu)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(shè)計對象多為復(fù)雜系統(tǒng)，如果在實驗室搭建這類系統(tǒng)的模型需要大量的實驗?zāi)K和元器件，教學(xué)成本非常高，并且無法應(yīng)用于大規(guī)模的實驗課．另一方面，受實驗場地和實驗學(xué)時的限制，控制類實驗課只能開設(shè)一些比較常規(guī)、典型的實驗，與實際系統(tǒng)有一定的距離．使學(xué)生無法將課堂所學(xué)的理論知識與生產(chǎn)生活中的實際系統(tǒng)聯(lián)系起來，導(dǎo)致理論與實際相脫節(jié)，無法獲得實際操作經(jīng)驗，從而使得實踐動手能力較弱．

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

3結(jié)論

根據(jù)控制類學(xué)科研究生教學(xué)的特點，在教學(xué)中，借助虛擬仿真實驗平臺，將理論學(xué)習(xí)與對實際系統(tǒng)的分析、設(shè)計和控制相結(jié)合，做到虛實結(jié)合，可以有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)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(fā)展綜述[J]．微型機與應(yīng)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(xué)模式的探討[J]．電氣電子教學(xué)學(xué)報，2014，36（2）：7-8

[3] 李欣，鄭越．基于控制類學(xué)科方向研究生核心能力培養(yǎng)的研究[C]//中國學(xué)位與研究生教育學(xué)會德育委員會第九屆學(xué)術(shù)年 會論文集，2014

[4] 惲如偉．虛擬現(xiàn)實的教學(xué)應(yīng)用及簡易虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計[D]．南京：南京師范大學(xué)，2005

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

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

[7] 岳東．網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析與綜合[M]．北京：科學(xué)出版社，2007

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

HLJ_2015056）；2015年黑龍江大學(xué)學(xué)位與研究生教育教學(xué)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(xué)校教改工程資助項目（JG2014011142）；2015年黑龍江省學(xué)位與研究生教育教學(xué)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(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)和T-S模糊系統(tǒng)研究．E-mail：zottf@163.com