三維虛擬仿真系統在實驗教學中的應用

李彥江，譚沖，呂建婷，鞏誠

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三維虛擬仿真系統在實驗教學中的應用

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）

介紹了三維虛擬仿真實驗系統在高校控制類專業實驗教學過程中的應用．在傳統實驗教學的基礎上，借助三維虛擬仿真系統構建虛擬仿真實驗，補充傳統實驗教學的不足，提高了學生實踐動手能力，為培養控制類專業高層次實踐創新人才提供了有效途徑．

三維虛擬仿真系統；控制類課程；實驗教學

隨著互聯網技術的迅速發展，傳統教育正面臨著數字化、信息化和網絡化的巨大沖擊．互聯網的開放性、實時交互性、人性化和個性化等優勢變得越來越明顯．因此，如何將互聯網和傳統教育有機結合達到更理想、更高效的教學效果成為現代教育面臨的主要問題[1]，而基于互聯網的教學模式將成為現代教育的一種重要方式．它可以大幅度地提高教育的質量和效率，更深層次地改進網絡環境下師生間的交互體驗[2]．

實驗是教學活動不可或缺的一個教學環節，有利于培養學生的實踐能力[3]．傳統實驗主要通過固定實驗和實物實驗方式訓練和提升學生的實踐能力．在固定實驗中，學生按照實驗指導書連接好系統，輸入相應程序即可完成實驗，無法深入地運用理論知識解決實際問題．在實物實驗中，學生可以親手安裝和調試實際系統，充分培養動手能力．但實物實驗受到設備數量和品種等方面的限制，占用課時多，消耗大，成本高．互聯網的介入使實驗教學得以廣泛實現與推廣．學生通過虛擬仿真實驗在線編譯實時仿真，使每個學生都能參與實驗，調動學生的積極性，解決了實驗設備欠缺和資金不足等問題．因此，虛擬仿真實驗教學系統作為一種新的教學手段正逐步運用于控制類課程實驗教學，為實驗教學提供有利條件．

1三維虛擬仿真實驗室系統

目前，網絡虛擬教學的發展在我國還處于初級階段，但是發展速度迅猛[4]．國內許多高校都在積極地研究和開發基于Web的網絡教育應用系統，構建更為有效的虛擬校園，以適應先進理論，特別是先進控制類課程教學[5-8]．如清華網絡學堂虛擬教學平臺、北京大學虛擬教學平臺和哈爾濱工業大學虛擬教學平臺等．

哈爾濱工業大學劉國平教授團隊的網絡化控制系統三維實時仿真實驗室（3D-NCSLab）是基于互聯網的三維虛擬現實的實時仿真控制系統實驗室．它集成了多種三維虛擬現實的實驗設備，對各類經典控制（如基于傳遞函數的PID控制、頻率響應法和根軌跡法）、現代控制（如基于狀態空間方程的LQR控制）、先進控制系統（如神經網絡控制）進行實時仿真，它可針對各種三維虛擬被控制對象，在互聯網瀏覽器中對控制方法和策略進行閉環控制系統的可視化組態設計；然后自動生成可執行代碼，通過網絡下載到實時仿真控制器中執行，實現控制系統的實時仿真；同時經網絡化可視監控組態設計可實現遠程監視和遠程調試．該系統主要由網絡化實時控制仿真器、3D虛擬實驗設備卡、系統服務器和交換機組成．

網絡化控制系統三維虛擬仿真實驗室可作為自動控制理論和控制技術教學、研究、實驗和評估的平臺，可以快速建立閉環控制系統原型，進行控制算法開發、實現和驗證等工作，搭建起控制理論與實際應用之間的橋梁．該系統包含運動控制、伺服控制、過程控制和復雜控制等4個子實驗室，集成了20種三維虛擬被控制對象，可以利用該平臺學習這些被控制對象的控制方法．系統主要包含高性能的網絡化實時控制仿真器和功能強大的系統服務器２個部分．網絡化實時控制仿真器運行具體控制算法，通過網絡接口接收監控組態平臺的控制參數與控制命令，并將控制對象的運行狀態實時地上傳至監控組態平臺．它基于20個高性能、低功耗的32位ARM微處理器，運行嵌入式操作系統，采用模塊化設計，提供網絡接口，具有較高的運行速度和較大的尋址能力，加上嵌入式操作系統的多任務和實時性，可以完全保證復雜控制算法的流暢運行．系統服務器用來與用戶進行交互，幫助網站完成Web仿真和編譯功能．系統服務器具有穩定、高效的特點并具有豐富的功能，包括系統設定配置、首頁頁面管理、實驗室的管理、實驗設備的管理、用戶管理和新聞管理等．該系統可以全天候運行，滿足20人同時在線進行實驗，還有共享算法功能，用戶也可以根據系統提供的資料獨自進行實驗．在3D-NCSLab系統架構中，服務器端是一個重要組成部分，它將客戶端與設備控制單元通過網絡結合在了一起，同時也使在Web網頁編譯MATLAB控制算法成為可能．服務器端包括MATLAB服務器和3D-NCSLab web服務器，它們在3D-NCSLab系統中分擔著不同的工作．

2 三維虛擬仿真實驗室系統在實驗教學中的優勢

網絡化控制系統三維虛擬仿真實驗室充分地解決了實驗室設備數量欠缺，品種單一，耗材消耗大，成本高等缺點，它以其高效率、低成本、內容豐富、性能有效和安全等優勢得到廣泛的應用和推廣．3D-NCSLab讓學生在模擬的真實情境下進行學習和研究，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，有利于提高學生的學習興趣，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．而且，這種教學方法可以利用計算機軟件的優勢創造出靈活多樣的工作場景，使學生可以不受場地與設備的限制，體驗更多的實際工作場景，將所學理論知識應用到各種實際場景中，從而掌握更多實際的操作技能和經驗，更好地將理論與實踐相結合，從而掌握更多的技能，提升學生的動手實踐能力．

3結論

三維虛擬仿真系統可以彌補傳統實驗教學設備短缺、空間不足和成本高的缺陷，完成先進虛擬設備的集成與整合，降低教育設備的總體投入，加強師生間的相互協作，提高學生的學習熱情，鍛煉學生的動手能力，提升學生的實踐能力．

[1] 張啟，王婷．關于虛擬教學實驗模式的探討[J]．科技信息，2010（15）：235

[2] 盧云輝．論虛擬教學系統的結構與功能繼續教育研究，2009（6）：171-172

[3] 中華人民共和國教育部．教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見[EB/OL]．（2012-03-16）[2016-01-02].http:// www.moe.edu.cn

[4] 張進．網上虛擬教學學習資源中心的建設[J]．電化教育研究，2005（4）：77-80

[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

Application of 3D virtual simulation system in the experimental teaching

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）

The application of 3D virtual simulation system is studied in the experimental teaching for the cybernetics specialty．On the basis of the traditional experimental teaching，3D virtual simulation system is used to establish virtual experiments，which can supply the lack of traditional experimental teaching and improve students′ practical ability．The 3D virtual simulation system is an efficient way to train the high level practical and creative talents of the control specialty．

3D virtual simulation system；control course；experimental teaching

O23∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.04.016

2016-03-02

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

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：2010024@hlju.edu.cn

1007-9831（2016）04-0059-03