基于系統方法論的測控專業實驗體系構建

楊大志，孫祥國，柳忠彬，張榮華

（四川理工學院 機械工程學院，四川 自貢 643000）

0 引言

四川理工學院測控技術與儀器（簡稱測控）專業創建于2001年，經過十多年的不斷發展，已向社會企事業單位連續輸送1000余名畢業生，得到了用人單廣泛位歡迎和認可。但是，隨著現代測控技術的飛速發展，以及我國新工科教育理念的深度變革和專業認證的不斷推進，我校測控專業教育教學暴露出一些不適應專業發展，需亟待解決的問題。

以測控專業實驗為例，目前我校測控專業實驗課程，比如傳感器、虛擬儀器等實驗多以理論課程配套的形式出現，在實驗項目設置上相對分散和獨立，缺乏專業層面的系統性和綜合性，在實驗對象上缺乏足夠的針對性、專業性，大大影響了實驗教學效果。因此，構建一套具有典型測控對象的測控專業實驗體系，使學生既能領會測控基本原理，又能了解實際測控對象和方法，做到理論聯系實際，提高學生的實踐和創新能力，提升測控專業的教學水平[1]。

1 測控專業實驗現狀

我校測控實驗室依托四川省高校過程裝備與控制重點實驗室平臺，下設檢測技術與虛擬儀器、光學工程、控制理論與技術、微型計算機及嵌入式系統技術4個專業實驗室。目前，已開設的專業實驗如表1所示。

表1 已開設專業實驗項目

測控4個專業實驗室承擔了傳感器、虛擬儀器概論等9門理論課程的配套或單獨開設實驗。實驗設備基本采用專用實驗箱或試驗臺，其實驗對象、測控儀器和設備、實驗過程和方法與實際工程大都相距甚遠。實驗項目設置各自為政，課程間聯系不夠緊密，彼此要么無法銜接，要么存在一定重復，整個實驗課程體系的針對性、工程性、綜合性和系統性均存在一定不足。為此，需要從工程專業教育和系統高度重新規劃、搭建專業實驗體系，以彌補現行專業實驗體系的缺憾。

2 測控專業實驗體系構建

2.1 總體思路

測控技術作為主宰自動化系統的普遍原理，必須與具體的測控系統相結合才能體現其價值和作用。測控專業教育作為整個工程教育的一個子系統，遵從工程教育的一般規律與方法，只有站在整個工程教育的高度來全面系統的思考測控教育改革問題，才能從根本上解決好測控專業教育改革的本質問題。采用系統的工程教育方法論，以實際的工程系統為工程教育內容和對象。以系統方法論為指導思想的教學方法將測控專業課程的教學實踐放到具有代表性的實際工程系統當中進行，做到理論聯系實踐，科學主導工程，循序漸進[2]。

按照系統方法論的觀點對測控專業實驗進行改革，從根本上改變測控專業實驗教學方式和教學思想，使之與現代測控技術發展需求相匹配。系統方法論的觀點將測控專業實驗放到某個具體的、典型的測控對象中進行，而不是分割教學、分割實踐。通過多門課程同時實踐一個典型測控對象或研究系統，有助于學生理解專業、課程之間的內在聯系，整體和部分之間聯系，讓學生在掌握和理解單門課程知識的同時，掌握系統工程的方法[3～4]。

2.2 測控專業實驗體系設計

（1）測控專業實驗平臺的搭建。根據我校測控專業實驗室自身特點，并結合其他高校測控專業實驗體系，采用武漢德普施公司的DRLab綜合實驗系統+DRVI/DRLink虛擬儀器軟件為測控專業實驗平臺，解決以往各實驗課程之間關聯性、系統性不強的問題。

基礎實驗平臺作為測控類課程如傳感器、檢測技術、自動控制、虛擬儀器等綜合實驗、實訓的公共平臺，包括綜合實驗桌、數據采集卡、多路開關電源、運動控制卡以及便攜式數據采集儀，其上可按需配置不同的實驗模塊，具有組裝靈活、切換方便、經濟實用等特點。

DRLab軟件平臺的核心是DRVI可重組虛擬儀器實驗平臺和DRLink可重組計算機實驗平臺。DRLink是在DRVI基礎上開發的可重組計算機控制平臺，具有所有DRVI所具有的優點和特色。DRVR/DRLink實驗平臺基于軟件總線和軟件芯片技術構造，采用軟件總線開放結構和COM/DCOM組件的即插即用特性，具有PC結構開放、模塊化、組件化等特點，是面向用戶的可在線編程、調試和重組的新型虛擬實驗技術。

軟件平臺提供與LabVIEW、MATLAB等第三方軟件的接口，DRLink可以通過DLL動態鏈接庫直接調用第三方程序，既可以發揮DRLink易用、界面友好的特點，又可以利用世界優秀的數學計算軟件，從而具備解決復雜問題的能力。因此DRLink不僅可作為計算機自動控制實驗軟件平臺，也可用于復雜的工程控制項目。

（2）專業實驗室規劃。依據我校測控專業培養方案和當前測控實驗室現狀，在目前檢測技術與虛擬儀器、光學工程、控制理論與技術、微型計算機及嵌入式系統技術4個專業實驗室的基礎上，增設測控創新實驗室，主要開展以機器人為代表的現代測控一體化的綜合實驗。

同時在原有檢測技術與虛擬儀器和控制理論與技術實驗室中，逐步增加以DRLab+DRVI/DRLink為平臺的具有典型測控對象的實驗儀器和設備，使其在承擔理論課程配套實驗的基礎上，進一步滿足創新實踐中開放性、創新性實驗需求。

（3）典型測控對象的擬定。擬定表2所示的的典型測控對象。所有典型測控對象均采用工業級的元器件和零部件，使之接近甚至完全滿足實際的工程項目要求。

表2 擬定的典型測控對象

2.3 測控專業實驗體系實施方案

考慮到經費投入限制和需求緊迫性不同，測控專業實驗體系建設按可分步實施。

首先建立測控創新實驗室，搭建基于DRLab+DRVI/DRLink的專業實驗平臺。并在此基礎上，逐步添置典型測控對象，從而達到開展綜合創新實驗的基本條件和要求。持續投入，豐富完善各種不同類型的典型測控對象，并逐步升級、更換原有實驗設備。

3 專業實驗實例

以雙容水箱控制實驗對象為例，介紹課題組開發的控制類專業實驗。如圖1所示，雙容水箱控制實驗對象由水箱本體、液位傳感器、水泵、控制卡和PC構成。上下水箱采用兩個帶刻度的透明有機玻璃桶作為容器，既可以直接觀察液位高度，也可以用壓力傳感器測量液位。該實驗能靈活地進行過程組態，實施各種不同的控制方案，可構成一階系統、二階系統和雙入雙出系統。由于許多工業上的多輸入多輸出被控對 象，在整體或局部都可以抽象成雙容水箱系統，因此，該實驗具有廣泛的應用背景和較高的研究價值，是一種理想的教學實驗設備。

圖1 雙容水箱系統構成

本實驗包含測控專業檢測、控制、計控、儀器等課程知識，具有傳統專業實驗無法比擬的綜合性和系統性，非常適合于開放性、創新性實驗的開設。具體可開展：液位壓力傳感器特性測試及標定測量實驗，一階液位系統特性測試，一階液位系統的PID控制器設計與控制實驗，一階液位系統的模糊邏輯控制器設計與控制實驗，一階液位系統的其它控制器設計，二階液位系統的特性測試，二階液位系統的特性測試，二階液位系統的PID控制器設計與控制實驗，二階液位系統的PID控制器設計與控制實驗，以及其它用戶自定義的創新性實驗。圖2為下水箱電機PID調節實驗界面。

圖2 下水箱電機PID調節實驗界面

4 結束語

文中提出的測控專業實驗體系，集系統性、專業化、開放性、實踐性、網絡化、趣味性等特點為一體，有效彌補了傳統專業實驗教學中的種種不足，可切實提高實驗教學質量和效果。雖然本文選用的DRLab綜合實驗系統+DRVI/DRLink虛擬儀器軟件未能如期采購到位，但通過測控創新實驗室建設的前期探索和積極嘗試，在測控及其他相關專業學生在創新實踐、課程設計和畢業設計上取得了明顯的效果。如果繼續推進測控專業實驗平臺建設，開出更加豐富、實用和富有創新性的專業實驗項目，把更多的學生吸引到創新實驗室，對其實踐能力、創新能力的培養將起到積極地促進作用。

[1]馮梅琳，何學文，羅小燕，等.基于CDIO理念的測控專業實踐教學創新體系[J].實驗室研究與探索，2014，3.

[2]蔣彥，趙立宏，袁鋒偉，等.基于系統工程教育方法論的測控專業實驗體系建設[J].實驗教學，2012，9.

[3]劉麒.提高測控專業工程實踐能力的研究與實踐[J].吉林化工學院學報，2015，9.

[4]李杰，孫向陽，何秉高.基于微型生產線的測控專業實踐教學體系研究[J].中國教育技術裝備，2015，22.