基于Labview的設(shè)施環(huán)境自動控制實驗教學(xué)改革

錢 稷， 周 娟， 邸 葆， 丁鈿冉

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) a.園藝學(xué)院，b.機電學(xué)院，河北 保定 071000；2.東芬蘭大學(xué) 森林與科學(xué)專業(yè)，芬蘭 約恩蘇 80101)

基于Labview的設(shè)施環(huán)境自動控制實驗教學(xué)改革

錢 稷1a， 周 娟1b， 邸 葆1a， 丁鈿冉2

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) a.園藝學(xué)院，b.機電學(xué)院，河北 保定 071000；2.東芬蘭大學(xué) 森林與科學(xué)專業(yè)，芬蘭 約恩蘇 80101)

為了提高設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生的動手實踐能力，同時針對缺少設(shè)施環(huán)境自動控制實驗儀器的問題，利用Labview軟件平臺進行實驗教學(xué)，將實驗分為教學(xué)復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)和實驗環(huán)節(jié)。實驗環(huán)節(jié)設(shè)置了開放性實驗部分，進一步為學(xué)生提供了理論和實踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)環(huán)境。通過學(xué)生課程調(diào)查數(shù)據(jù)表明：85%的同學(xué)能夠獨立完成設(shè)施環(huán)境調(diào)控labview程序的編程，同時81%的同學(xué)能夠完成創(chuàng)新實驗中全部4個參數(shù)的優(yōu)化。本實驗教學(xué)改革，有助于設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生理解和掌握該課程的主要知識點，提高工程實踐能力，完善學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，不斷強化其獨立思考能力和創(chuàng)新意識。

設(shè)施環(huán)境自動控制； 實驗教學(xué)； 實踐能力; Labview

0 引 言

設(shè)施環(huán)境自動控制是一門設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程專業(yè)的支撐課程，是一門能夠?qū)⒆詣涌刂评碚搼?yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中去的重要課程。因此，實驗性教學(xué)是該課程中不可或缺的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生將理論知識應(yīng)用于實踐和提高創(chuàng)新能力的重要途徑。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和信息化的發(fā)展，加強設(shè)施環(huán)境自動控制課程實驗教學(xué)，不斷推進實驗教學(xué)的改革創(chuàng)新，努力培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力，是提高學(xué)生社會競爭力的必然之舉。Labview(Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench)是美國國家儀器公司所開發(fā)的圖形化程序編譯平臺，它采用“數(shù)據(jù)流”的概念，利用流程圖和模塊化相結(jié)合的設(shè)計思想，完成程序設(shè)計，程序可移植性高，實現(xiàn)“軟件即硬件”的功能[1-2]。而基于LabVIEW的設(shè)施環(huán)境自動控制實驗教學(xué)，克服了交叉學(xué)科設(shè)備儀器缺少的現(xiàn)狀，利用Labview自身的特點——以軟件實現(xiàn)硬件設(shè)備的功能。用創(chuàng)新的編程理論，設(shè)計出實用的設(shè)施環(huán)境調(diào)控方案[3-4]?；贚abview的設(shè)施環(huán)境自動控制實驗教學(xué)改革，不僅能增強學(xué)生對本課程知識點的理解和掌握，還有助于培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考及動手能力，能充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高創(chuàng)新意識，更好地將兩個學(xué)科知識進行融合，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。

1 實驗課程安排

設(shè)施環(huán)境自動控制是一門交叉性的課程，要以自動控制理論知識為基礎(chǔ)，建立控制理論和設(shè)施環(huán)境調(diào)控之間的聯(lián)系，最終將自動控制理論應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，以提高生產(chǎn)效率以及經(jīng)濟效益。本課程分為40學(xué)時的講授內(nèi)容和8學(xué)時的實驗內(nèi)容，其難點在于講授部分理論性強、概念抽象、分析工具復(fù)雜，且與數(shù)學(xué)聯(lián)系緊密[5-8]。同時設(shè)施農(nóng)業(yè)與工程專業(yè)的學(xué)生缺少自動化相關(guān)專業(yè)的知識背景，而且數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對薄弱，所以學(xué)生對自動化相關(guān)理論知識的理解和應(yīng)用，僅通過課堂講解很難完全掌握，因此必須通過實驗教學(xué)這一環(huán)節(jié)，增強學(xué)生對相關(guān)知識的感性認識和應(yīng)用能力。本實驗課程主要從3個方面進行：

(1) 8個學(xué)時的實驗分階段遵循由簡到難、循序漸進的原則。當(dāng)理論課程講授到一定階段，同時也能夠為實驗提供理論支撐的時候，會進行實驗課程的學(xué)習(xí)。每個實驗環(huán)節(jié)都是對前一個時期理論教學(xué)的實踐總結(jié)。實驗設(shè)計上分為理論驗證型、設(shè)計型、綜合型3種類型。

(2) 在理論課程結(jié)束后，安排最后一次針對整門課程的實驗。這次實驗是綜合型實驗和創(chuàng)新型實驗，學(xué)生可以根據(jù)自己興趣選擇實驗內(nèi)容，從而為以后研發(fā)類工作打下堅實基礎(chǔ)。

(3) 為了培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，從理論學(xué)習(xí)、軟件應(yīng)用以及實踐動手能力3個方面對學(xué)生的成績做出評估，并將實驗成績在總成績的比例提高到30%。

2 實驗課程的設(shè)計

設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程專業(yè)是一個工程與農(nóng)業(yè)相結(jié)合的新興專業(yè),學(xué)校缺少與之配套的相關(guān)的實驗儀器。同時在傳統(tǒng)控制實驗教學(xué)中，電子儀器起著主導(dǎo)作用，這些儀器大多是以硬件或固化的軟件的形式存在的，不適應(yīng)“設(shè)施環(huán)境自動控制”實驗的要求，所以利用Labview軟件的特殊性，通過軟件編程，充分發(fā)揮“軟件即硬件”的功能，設(shè)計出適合本專業(yè)的實驗課程[9]。

2.1 總體設(shè)計

為了強化園藝專業(yè)背景應(yīng)用，首先通過觀看現(xiàn)代化溫室內(nèi)各種環(huán)境參數(shù)控制過程的演示，使學(xué)生建立起溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)的感性認識，再結(jié)合典型案例進行分析。每一個模塊講完之后，都結(jié)合其中一個典型的參數(shù)控制進行對應(yīng)分析。按照循序漸進的原則從基本概念、數(shù)學(xué)建模、系統(tǒng)分析(時域分析、根軌跡分析、頻域分析)和系統(tǒng)設(shè)計。以典型的溫室環(huán)境參數(shù)控制作為綜合分析實例，培養(yǎng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中把抽象理論與實際溫室控制工程相結(jié)合的能力。具體課程設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實驗課程結(jié)構(gòu)

為了學(xué)生能夠更好地理解、記憶、運用講授中的內(nèi)容，在實驗課程中加入了教學(xué)復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)的應(yīng)用。這樣學(xué)生就能夠方便的在實驗過程中檢索到講授的重點知識，并將其應(yīng)用到實驗環(huán)節(jié)中去。為后期開放性實驗部分奠定了良好的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用能力[10-11]。

2.2 實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)

實驗系統(tǒng)采用模塊化的編程思想，各個模塊單獨對應(yīng)一個實驗，同時也可以將幾個模塊聯(lián)系起來，完成一個綜合的實驗。通過預(yù)先編好的系統(tǒng)登錄界面進入實驗系統(tǒng)。在實驗系統(tǒng)界面中，學(xué)生可以根據(jù)自己的情況選擇復(fù)習(xí)理論知識或是直接進入實驗環(huán)節(jié)。每一個實驗環(huán)節(jié)，都包括實驗說明、實驗相關(guān)參數(shù)設(shè)定、實驗結(jié)果分析與評價等環(huán)節(jié)。實驗系統(tǒng)還為學(xué)生提供相似的編程案例[12]。學(xué)生可以自己動手設(shè)計新的相關(guān)實驗，這樣就能夠更好地從實際應(yīng)用角度去理解每一個溫室自動控制實驗。

在自動控制理論中，最終應(yīng)該讓學(xué)生掌握兩方面的技能。①系統(tǒng)分析。運用合適的分析方法分析現(xiàn)有控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性、快速性。②系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化。根據(jù)控制任務(wù)，學(xué)生設(shè)計出控制系統(tǒng)，并優(yōu)化其參數(shù)，達到最優(yōu)控制效果。

任何一個復(fù)雜的控制系統(tǒng)都可以通過線性化、降階，分解為若干二階系統(tǒng)和一個一階系統(tǒng)級聯(lián)的形式。因此二階系統(tǒng)分析是最基礎(chǔ)的。典型二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為:

其中:ξ—阻尼比;ωn—無阻尼振蕩頻率。二階系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能分析在自動控制理論中有重要的作用[13]。同時，針對農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境調(diào)控，大部分的控制采用的是二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，所以對于設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生，二階系統(tǒng)的分析與理解就顯得尤為重要。二階系統(tǒng)分析界面如圖3所示。

圖3 二階系統(tǒng)分析界面

在實驗的最后階段，給學(xué)生提供了開放實驗環(huán)節(jié)。主要目的是將前面所學(xué)的知識運用到實際的農(nóng)業(yè)設(shè)施環(huán)境調(diào)控中去，通過對程序的認真研讀和理解，進一步讓學(xué)生理解自動控制理論，同時達到理論與實踐相結(jié)合的目的[14]。

2.3 總結(jié)與交流

實驗課程結(jié)束之后，安排了實驗總結(jié)環(huán)節(jié)。學(xué)生可以根據(jù)自己的情況自由分組，制作PPT，匯報心得體會，并完成實驗報告。

3 結(jié)果與討論

設(shè)施環(huán)境自動控制實驗課教學(xué)目的主要有3個。

(1) 更好地理解和掌握自動控制理論基礎(chǔ)知識；

(2) 了解Labview軟件平臺的編程環(huán)境，并能自己完成簡單的程序設(shè)計，初步掌握一門計算機高級語言，為以后程序開發(fā)打下良好基礎(chǔ)；

(3) 初步將自動控制理論知識應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控中，同時能夠理解開放性實驗中程序代碼。

為了檢驗學(xué)生通過實驗課程掌握Labview軟件編程環(huán)境和獨立完成簡單程序設(shè)計的能力，實驗課為學(xué)生布置了RL、RC、RLC網(wǎng)絡(luò)3個簡單編程，調(diào)查對象為2013級設(shè)施農(nóng)業(yè)工程與科學(xué)專業(yè)的54名學(xué)生，按完成程序數(shù)量進行統(tǒng)計，全部完成程序設(shè)計的占總數(shù)的85%，9%的同學(xué)完成了兩個程序設(shè)計，全屆只有1人沒有完成所有的程序設(shè)計，只占總數(shù)的2%。綜合所有數(shù)據(jù)可以看出，大部分學(xué)生掌握了Labview編程環(huán)境，同時也能較好的理解自動控制原理的基本理論知識。

為了能夠使學(xué)生更好地將自動控制理論知識運用到實際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境調(diào)控中，實驗課為學(xué)生準備了1個土壤水分控制方案，學(xué)生通過研讀程序和運用自動控制理論知識，最終達到優(yōu)化土壤水分控制參數(shù)的目的。程序優(yōu)化的5個參數(shù)分別是td—延遲時間；tr—上升時間；tp—峰值時間；ts—調(diào)節(jié)時間；σ%—超調(diào)量。根據(jù)圖標(biāo)顯示，絕大部分學(xué)生利用實驗課程能較好將理論知識應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際情況中(見圖4)。

圖4 優(yōu)化程序參數(shù)完成情況

實驗教學(xué)情況表明，以Labview為軟件平臺的設(shè)施環(huán)境自動控制實驗課，能夠很好地提供友好的人機交互平臺，同時也能夠使學(xué)生更好地掌握自動控制理論的基礎(chǔ)知識，通過實際動手進一步讓學(xué)生將所學(xué)的知識應(yīng)用于現(xiàn)實的農(nóng)業(yè)設(shè)施自動控制中去，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，達到了良好的教學(xué)效果[15-16]。

[1] Peter Tiernan. Enhancing the learning experience of undergraduate technology students with LabVIEWsoftware[J]. Computers & Education, 2010(55):1579-1588.

[2] Faraco G, Gabriele L. Using LabVIEW for applying mathematical models in representing phenomena[J]. Computers & Education, 2007(49):856-872.

[3] 李祖明, 鄭對元. 精通LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計[M]. 4版. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2012.

[4] 張?zhí)m勇, 孫 健, 孫曉云. LabVIEW程序設(shè)計基礎(chǔ)與提高[J]. 5 版. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2013．

[5] 郝 麗, 趙 偉, 王 珅, 等. 利用LabVIEW提高電氣工程專業(yè)本科生教育質(zhì)量[J]. 實驗室研究與探索, 2016 (35):217-219.

[6] 李 欣, 謝 宏. 虛擬儀器技術(shù)在通信原理教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 實驗室研究與探索, 2014(33):155-159.

[7] 馬 薔, 王金城, 王 堯． 基于虛擬儀器的自動控制原理實驗系統(tǒng)[J]. 實驗室研究與探索, 2005, 24(增):210-212．

[8] 劉 中, 袁少強, 張軍香. 自動控制原理實驗課的改革與實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2013(32):403-406.

[9] 劉瑞歌, 宋 鋒.基于虛擬儀器技術(shù)的自動控制原理教學(xué)實驗平臺[J]. 自動化與儀器儀表, 2011(4):171-173.

[10] 劉 寶, 孟令雅, 王 釗, 等. “自動控制原理”課程特色教學(xué)研究與探索[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報, 2013(35):66-68.

[11] 蔡周春, 繆姝妹, 王 輝, 等. 基于LabVIEW的自動控制原理實驗系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 工業(yè)控制計算機, 2012(25):39-40.

[12] 王 娟, 胡文軍, 王培良. 基于LabVIEW的多物理量測量實驗系統(tǒng)[J]. 實驗室研究與探索, 2016,35(4):121-124.

[13] 頓愛波. 遠程教學(xué)用虛擬電子實驗室系統(tǒng)研究[D]. 大連:大連理工大學(xué), 2005.

[14] 嚴 浩. 基于LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)虛擬儀器在實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].武漢:華中科技大學(xué), 2007.

[15] 呂桂云, 吳曉蕾, 高洪波. “無土栽培學(xué)”實踐教學(xué)的改革與實踐[J]. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(農(nóng)林教育版),2012(14):55-58.

[16] 章鐵軍, 高洪波, 吳曉蕾. 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)與課堂理論教學(xué)相結(jié)合—無土栽培學(xué)課程教學(xué)模式的試驗研究[J]. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(農(nóng)林教育版),2010(12):85-88.

Reform of Experiment Course of “Automatic Control of Facility Environment” Based on Labview

QIANJi1a,ZHOUJuan1b,DIBao1a,DINGTianran2

(1a. College of Horticulture, 1b. College of Mechanical & Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, Hebei, China; 2. University of Eastern Finland, School of Forest Sciences, Joensuu 80101, Finland)

Due to the lack of facilities for the automatic control of laboratory instruments of environmental problems, the reform used Labview software platform for experimental teaching to improve the facility agricultural science and engineering student’s practical ability. The course was divided into two sections: review of theoretical knowledge and experiment. The experiment also consisted of innovative part, to provide students with a combined environment of theoretical and practical trains. According to survey results, 85% of students were able to complete programming independently and 81% of students were able to optimize all four parameters in innovative part. This reform helps facility agricultural science and engineering students to understand and master the main points of the course, improves the ability of engineering practice, and enhances students’ knowledge structure and their ability of independence thinking and innovation.

facilities automatic environmental control; experimental teaching; practical ability; Labview

2016-08-15

錢 稷(1983-)，男，河北保定人，碩士，講師，主要從事溫室環(huán)境調(diào)控的研究。Tel.：13630850551;E-mail：qianji167@163.com

G 642.3

A

1006-7167(2017)05-0144-04