信息與控制系統綜合實驗教學平臺建設與實踐

付興建， 劉小河

(北京信息科技大學 自動化學院, 北京 100192)

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信息與控制系統綜合實驗教學平臺建設與實踐

付興建， 劉小河

(北京信息科技大學 自動化學院, 北京 100192)

實驗室是高等學校培養學生實踐能力和創新精神的重要場所。我校自動化專業本科生培養方案，顯著強調了實踐和創新能力的培養，在實驗環節的設置上，更注重設計性和綜合性實踐環節。建設自動化信息與控制綜合實驗平臺，旨在服務于實驗教學，實踐性環節和創新人才培養，構建人才培養實踐體系平臺和環境，全面培養學生工程實踐和系統設計能力。本文對我校自動化信息與控制綜合實驗教學平臺建設的建設思路、建設內容等方面進行了探索和實施。

綜合實驗平臺； 實驗室建設； 人才培養

0 引 言

我校自動化專業2008年被批準為北京市特色專業建設點，同年開始一本招生，2009年被批準為教育部第四批特色專業建設點，2011年進入教育部卓越計劃，2012年開始招生卓越班。2014年通過校內專業評估，2015年申請參加工程認證評估。為滿足應用型、創新型人才的培養，加強學生的實踐動手能力，培養卓越人才[1-3]。目前自動化專業的實驗室教學設備，主要是為專業教學而配備，早已是各個廠商產品化的東西[4]，不太適合對學生創新能力的培養，另外相關的設備也不能進行靈活的應用，在特色專業建設、特色教學裝備的研究上難以深入。同時，自動化實驗室還要服務于我校多個學院的多門課程課內實驗、綜合實驗環節等，面積和設備數有限，學生班級較多，實驗安排存在困難，開放實驗和畢業設計內容等不夠豐富。2012修訂的培養計劃中部分專業課程將采用實驗室教學的模式，并對學生開展研究訓練計劃，因此，要配備一些實用的控制類對象，創造更好的創新實驗氛圍，需要相適應的教學與實驗環境，滿足教學改革與創新的需求。

要注重學生的創新能力培養，在目前設備上進行創新性實驗，其創新程度意義很難再加以擴展。自動化專業應用型創新人才培養體系[5]，不僅要培養優秀的應用型水平高的大學生，而且能鍛煉一批有創新精神、勇于攻關、知識結構合理、奮發進取的能進行高水平研究和開發的大學生隊伍[6-9]。借住中央財政支持地方高校發展專項資金資助的機會，我們建設了自動化專業信息與控制系統綜合實踐教學平臺。通過項目實施，著重對現有的微機實驗室、自動控制理論實驗室、伺服控制實驗室、計算機測控實驗室進行升級改造。對自動控制理論、現代控制理論、計算機控制系統、智能控制技術、自動控制系統仿真、DSP原理及應用、運動控制系統、基于LabVIEW的虛擬儀器設計、嵌入式系統、微機原理等課程，對自動控制系統綜合實驗、畢業設計、開放實驗、創新實驗、大創項目等實驗項目，有了嶄新的綜合實踐平臺。

1 綜合實驗教學平臺建設思路

以工程化實踐教學為主體，以科研提升教學水平，以實驗教學中心支撐和促進學科專業發展，全面培養學生工程實踐和系統設計能力為指導思想，旨在建設一個服務于實驗教學，實踐性環節和創新人才培養的一體化實驗平臺[10-12]。自動化專業本科生教育教學培養方案中，顯著加強了實踐和創新能力的培養[13-14]，實驗環節的設置上更注重設計性和綜合性實踐環節。

學生利用教學實踐平臺進行實驗，可根據自身特點采用不同的層次而進行(見表1)。

基本實驗(層次1)為傳統方式或簡單實驗方式。學生根據實驗指導書按部就班進行實驗，并記錄實驗結果，完成相應的實驗報告，學生基本不需要創新和自由發揮就可以。

拓展與項目實驗(層次2)為項目實驗方式。學生完成的是一個有明確目標的實驗項目(可能會包含多個上述的簡單實驗)，不再明確規定具體的實驗內容和實驗步驟，一旦完成實驗目標，表明學生已經掌握和該實驗有關的所有內容，學生有相當的自由進行創新和發揮。

探索實驗(層次3)為探索實驗方式。目標不是很明確的實驗，但有大致方向，通過實驗可能找到更好的方法和途徑，或找到某種規律性；可以充分發揮學生的創造性，培養學生的動手和科研能力。通過實驗分層次，不僅掌握了基本知識，還可以接觸先進技術。從理論驗證到設計性實驗的編程練習，探索性實驗進行相似的產品設計等，使學生有很大收獲。

表1 綜合實驗平臺開展的部分實驗項目

該教學平臺建設，具有系統性、開放性、工程型、先進性的優勢，能夠達到國內領先的實驗教學水平。可以根據自己學生的具體情況進行實驗，層次1為基本要求，大部分學生都可以進行；層次2可充分發揮學生的綜合能力，可在部分學生中進行；層次3可以充分發揮學生的創新能力，可在少量優秀學生中進行。

該教學實驗平臺的建立可以提高學生動手操作能力，完善知識結構[15-16]。不僅掌握基本知識，還可以接觸先進技術。從理論驗證到設計性實驗的編程練習，探索性實驗進行相似的產品設計等，逐步形成層次，可使學生有很大收獲。

2 綜合實驗教學平臺建設內容

自動化專業信息與控制系統綜合實驗教學平臺建設，主要建設內容包括以下四部分。

(1) 現代運動控制系統創新平臺(含實時仿真控制軟件)。本實驗平臺綜合目前國內各類學科電力電子變流技術、交直流調速、異步電機控制、控制理論等實驗項目。采用模塊化，可根據不同的要求選擇和組合搭配模塊。利用TI公司32位高性能TMS320F2812 DSP最新產品做為控制核心芯片，并設計成為基于PCI總線的DSP2812運動控制卡，利用超高速度的PC實現電機控制算法。同時，解決了Windows操作系統下實時控制的關鍵技術，并開發出電機控制實時控制軟件和Matlab實時控制模塊庫。利用本運動控制卡和接口軟件，可以完成交流感應電機、直流無刷電機、開關磁阻電機等眾多電機的實時控制實驗，直接在Windows系統上使用C、C++或者Basic語言編寫電機控制算法，無須了解任何DSP電機控制相關技術，更重要的是，也可以使用Matlab語言編寫算法或者用Simulink庫搭建電機控制算法。同時，可以進行更復雜的控制算法如自適應控制、解耦控制、滑模變結構控制等實驗，可以實現實時參數辨識實驗，可以采集系統運行數據。不但可以保存下來做進一步的分析， 甚至可以通過Matlab的REAL-TIME 工具箱或類似的軟件，進行參數的實時處理，比如自適應參數辨識和神經網絡控制等無法用DSP 實現的算法，都可以方便的實現，以及實現更復雜算法的實時控制功能。比如圖1，Simulink模塊實現的SPWM開環變頻調速。

圖1 Simulink模塊實現的SPWM開環變頻調速

此平臺可以做實驗的課程包括：運動控制系統、自動控制理論、DSP控制器技術、自動控制系統仿真、自動控制系統綜合實驗、畢業設計、開放實驗、創新實驗等。

(2) 伺服電機控制教學創新型平臺。本實驗裝置是一套完整FPGA交直流伺服電機控制系統(見圖2)，除提供傳統自動控制教學實驗外，還提供了FPGA設計DSP伺服電機控制芯片所有源代碼，非常容易做二次開發研究，非常符合學校重新規劃完整的全新技術伺服電機與自動控制實驗室。此裝置主要創新性有中文 FPLC人機圖控操控系統設計；FPLC 人機圖控提供二次開發實驗功能；提供4頻道示波器實時顯示功能，觀測伺服電機控制波形顯示；提供16頻道24 MB邏輯分析實時顯示功能，觀測伺服電機驅動與電流回饋顯示；提供在FPGA 具有DSP交流伺服電機功能控制芯片，并可重新規劃設計。分為交流伺服(直流無刷)電機、直流伺服電機、交直流混合控制伺服電機、線性伺服電機自動控制實驗四種，可以進行電機創新實驗的開展。

圖2 基于FPGA的伺服控制教學創新型平臺

此設備既可以做基礎性試驗，比如數字濾波器設計 (FIR)、紅外線通訊實驗等。又可以做一些可拓展性項目實驗，比如走馬燈控制實驗、四鍵輸入的電子密碼鎖實驗等。還可以進行創新性項目實驗，比如FPGA聯機設計、內存的運用等。

(3) 環形串聯二級倒立擺。購買某公司科技環形倒立擺系列產品，該產品采用開放的控制解決方案和模塊化的實驗平臺，以旋轉運動模塊為基礎平臺，輕松構建環型一級倒立擺, 環形串聯兩級倒立擺、環形并聯兩級倒立擺，甚至串并聯混合三級擺、四級擺等，全方位滿足控制研究的需要。系統特點有環形軌道，無機械限位，更適合起擺算法研究實驗；采用集電滑環將反饋信號接入控制器，即使擺座無限轉動，也不會發生電纜繞結；采用落地式機械結構，無需專用工作臺；工業化增量碼盤反饋和交流伺服電機驅動；開放性，基于PC和DSP運動控制器的開放式硬件平臺；Matlab和DOS開發環境，提供源代碼；創新性，隨意配置獨具個性的實驗平臺；開發和驗證自己的控制算法，挑戰并聯擺平衡控制和串聯擺起擺等控制難題。

采用Matlab實驗環境，利用Simulink對系統進行建模分析與控制器設計以及仿真，利用Real-Time Windows Target對系統進行實時控制，可以很方便的將建模與仿真得到的控制器用于實際控制，系統控制界面如圖3所示。

圖3 系統控制界面

環形倒立擺可以用于機電一體化、自動控制、計算機控制、數據采集與信號處理等課程的實驗。實驗內容包括實際系統建模與分析、數據采集與處理、控制器設計、根軌跡控制實驗、參數辨識、環形一級順擺的PID/LQR控制仿真與實驗、環形二級倒立擺的PID/LQR控制仿真與實驗等實驗內容，可以采用的控制理論有經典控制理論、現代控制理論、智能控制理論等。可以做實驗的課程包括：自動控制系統、智能控制技術、計算機控制、系統辨識、自適應控制等。此套裝置主要用于學生探索性的實驗。

(4) 嵌入式系統開發平臺。支持Linux、WinCE、Vxworks、μC/OS-Ⅱ 4套操作系統，主要是讓學生掌握嵌入式開發環境，多線程應用程序設計實驗，Linux內核移植與編譯實驗，簡單的嵌入式WEB服務器設計實驗，USB攝像頭視頻采集實驗，網口實驗，觸摸屏實驗，TFT LCD液晶顯示屏，直流電機實驗等。

3 結 語

自動化信息與控制綜合實驗平臺的建設，不僅能保證實驗室培養一批基礎知識扎實，具有實踐動手能力強的學生，而且能鍛煉一批有創新精神、勇于攻關、知識結構合理、奮發進取、能進行高水平創新研究和開發的大學生隊伍。該教學實驗平臺建設以后，可以滿足包括運動控制系統、自動控制原理、計算機控制系統、嵌入式系統等多門課程、多層次的實驗需求，每年服務或參與學生達1 200人。可更新10多項傳統實驗項目，新增機械臂運動控制、同步電機伺服控制、基于ARM處理器實現視頻顯示與遠程數據采集等不同層次的實驗幾十項。該創新平臺具有系統性、開放性、工程型、先進性的優勢，能夠達到國內領先的實驗教學水平，經濟效益和社會效益顯著。

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·名人名言·

任何天才不能在孤獨的狀態中發展。

——愛因斯坦

Exploration and Practice of the Integrated Experimental Teaching Platform for Information and Control System

FUXing-jian,LIUXiao-he

(School of Automation, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China)

Laboratory is an important place for training students’ practical and innovative ability in a university. The cultivation practice and innovation ability are significantly stressed in the training program for automation specialty in our school. The information and control system experimental platform is built to service experimental teaching and creative talents. At the same time, this experimental teaching platform establishes the training practice environments to facilitate students’ practical engineering ability and system design capability. In this paper, the construction ideas and construction content are explored and implemented for the information and control system integrated experimental teaching platform in automation specialty.

integrated experimental platform; laboratory construction; talent training

2015-05-14

北京信息科技大學2013年度高教研究課題資助(2013GJYB10)； 2014年北京市財政項目“本科生培養-教學改革立項與研究”(PXM2014-014224-000088)；北京信息科技大學2015 年人才培養質量提高經費(5111523309 )支持

付興建(1974-)，男，山東茌平人，博士，副教授，主要從事控制理論與控制工程方面的教學和科研工作。

Tel.：13691300558；E-mail:redbrook@sina.com

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1006-7167(2016)04-0190-04