自动控制原理虚拟实验系统设计

刘 艳 朱丽娟 陈 杰

摘 要:为解决我院自动控制原理实践教学中存在的问题,提出基于虚拟仪器的自动控制原理实验系统设计,用软件模拟实际硬件的功能,使系统操作方便。既可以节约成本,改善现有的实验条件,又可以提高自动控制原理实验教学效果,推动实验教学的发展。

关键词:虚拟仪器 自动控制 实验教学

“自动控制原理”是电气工程专业一门重要的专业基础课,也是一门理论性较强的课程,但它来源于工程技术,最终目的是回到工程实际中去指导系统设计、调试,具有浓厚的工程背景。因此各个高校对该门课程的实践教学都很重视,它是一门理论性、实践性较强的工科专业基础课,实践环节对于学生理解与掌握课程中抽象的理论概念起着至关重要的作用。但是随着高校的扩招,相对于越来越多的学生数来讲目前自动控制实验教学存在一系列问题,例如实验设备和实验场地数量有限,实验设备老化严重以及严重缺乏实验指导教师等。针对实践教学中出现的种种问题,各个高校都在寻求解决的办法,以虚拟仪器为基础的虚拟实验平台应运而生[1-2]。

我校自2006年为电子信息工程专业02级的学生开设这门课以来,由于种种原因,自控原理实验还没有开设,借鉴其他高校的情况,考虑用虚拟实验系统代替实验室,用软件模拟实际硬件的全部功能。希望解决目前自动控制实验中的一些问题,在一定程度上提高目前“自动控制原理”实践教学效果。

一、自动控制原理实践教学的现状

1.电气工程及其自动化专业的特点

电气工程及其自动化专业的特点是: 强弱电结合, 电工技术与电子技术结合, 软件与硬件结合, 元件与系统结合。专业面宽, 既具有电气工程方面的专业知识和技能, 又有自动化和信息技术方面的基础知识和基本技能, 可以使学生得到电工电子、信息控制及计算机技术方面的基本训练。电气工程及其自动化专业的培养目标是: 培养在电气工程、自动化、电力电子技术、监测与自动化仪表、电子与计算机技术应用等领域内能够从事工程设计、系统分析、系统运行、研制开发等方面的高级工程技术人才[3]。电气工程及其自动化专业具有非常广阔的工程实际应用背景和应用前景, 该专业的毕业生必须具备一定的工程实际应用能力。由于目前我国企业和科研单位一般不具备对大学毕业生进行再培训的条件。所以, 大学应当为学生提供实践训练的机会, 使毕业生能够在某一专业方面具有较强的实际工作能力。因此, 探索新形势下电气工程及其自动化专业学生工程应用素质的培养具有重要的现实意义。

2.自动控制原理实践教学改革

我校物理科学与电子技术学院,从1999年设置电子信息工程专业,一开始学院将专业方向定位于偏弱电方向,开设了一系列的相关课程,建设了多个实验室;主要有模拟电子线路实验室、数字电路实验室、电子设计自动化实验室、电工实验室、单片机原理实验室、通信原理实验室、信号与系统实验室、高频电子线路实验室、家用电器实验室、数字信号处理实验室等十多个实验室。后来随着师资力量的加强以及适应市场发展的需要,对原有的专业模式进行改革探索,逐渐形成了以电子信息工程和电气自动化两个方向为主的非师范专业。

我校从02级学生开始开设了“自动控制原理”这门电气工程及自动化专业必修的基础课,实验室方面加大投资新建了PLC实验室、电机控制实验室、过程控制实验室等。但是还有一些实验室未能付与实现。就自动控制原理这门课程来讲,各个高校非常强调实验课程的重要性,但是实验教学中存在的一些问题也比较突出。高校实验室常用的自动控制原理实验仪器主要是模拟实验装置,这样的实验室成本高,仪器耗损大,重复利用率低,已经远远不能适应学科发展。

控制理论学科从深度和广度都在不断向前发展,随着计算机和测试技术的发展,以计算机为核心的测试方式正在冲击着传统测试设备,进而影响着现代实验教学,因此本课程如何及时吸收控制领域的新成果、新技术、摈弃旧的认识,已显得迫在眉睫。

二、基于虚拟仪器的自动控制实验系统设计

1.虚拟仪器的特点及组成

虚拟实验技术是利用软件和硬件的结合,取代传统的常规实验仪器设备,在计算机或计算机网络上进行模拟、仿真各种实验的技术。它是虚拟现实技术(VR)。虚拟仪器技术、计算机辅助教学技术(CAI)、多媒体计算机技术(MPC)等发展的结果,广泛应用于科学和生产领域[4]。

虚拟实验室最早由美国 Unversity of Virginia 的 William Wolf 教授提出,描述一个计算机网络化的虚拟实验室环境[5]。目前,虚拟实验室在发达国家己十分普及。许多发达国家的高校已经把MATLAB与相关课程进行了整合,为教学带来了极大的灵活性和便利性。

一个最基本的虚拟仪器程序由3部分组成:人机对话的前面板、作为源代码的数据流框图和图表/连接端口,按功能分为3个部分:信号采集与控制,数据分析处理,测试结果的表达。

2.虚拟仪器程序开发语言

进行虚拟仪器开发,通常可以采用两种编程方法进行软件编程。一种是传统的方法,采用高级语言如VC++,VB,Delphi等编写仪器软件;另一种是面向仪器和测控过程的图形化编程方法,如NI公司的LabVIEW, MATLAB,这些语言很适合虚拟实验平台的软件设计,由此开发出来的教学软件可以设计

成Windows程序风格,使教师和学生更容易操作和应用[6]。LabVIEW建立在易于使用的图形数据流编程语言——G语言上,简化了过程控制和测试软件的开发。但是在对各种算法的支持方面,LabVIEW的工具箱非常有限,这就限制了大型应用程序的快速开发。而MATLAB以强大的科学计算功能、大量稳定可靠的算法库,为数学计算工具方面事实上的标准[7]。但MATLAB也有不足之处,例如界面开发能力较差,并且数据输入、网络通信、硬件控制等方面都比较繁琐。因此LabVIEW通过ActvieX自动化技术与MATLAB进行混合编程,达到了利用MATLAB优化算法库的目的。将LabVIEW与MATLAB有机结合,是一条开发智能虚拟仪器的有效途径。

3.自动控制原理虚拟实验系统开发

根据自动控制原理实验教学大纲的要求,自动控制原理虚拟实验室共设计了十个实验,内容涉及线性系统时域分析、线性系统的根轨迹、线性系统频域分析、线性系统串联校正、离散系统分析和非线性系统分析。从实验难易层次上可以分为基础性实验和设计性实验,这样学生可以根据自身学习情况选择适当的实验,促进了学生的学习。在LabVIEW上设计的系统前面板如下图所示。对应的后面板程序通过ActvieX技术与MATLAB进行混合编程,利用MATLAB编程方便的特点完成每个实验项目。

本实验系统计划两年内完成,所有的实验可以在计算机上选择进行,后面系统完善以后同学们可以在网络上选择感兴趣的实验项目,并且可以实时地与指导教师交流实验中遇到的问题。

三、结束语

为适应自动控制原理实践教学改革的需要,用虚拟实验系统代替传统实验室,用软件模拟实际硬件的全部功能,节约成本,可以提高目前“自动控制原理”教学效果,加深对所学知识的理解,提高动手能力,锻炼发现问题、分析问题和解决问题的能力。在新的实验系统中,学生对实验的操作更加方便省时,单位学时内所能完成的实验内容增多了,提高了实验教学的效率。同时把软件又是仪器的概念引入到了实验系统的设计中,而不是单一的程序仿真。实验室的功能不再单一,可面对更多课程的实验及课程设计向学生开放,为学生提供更多的实践及创新机会。

参考文献

[1]王瑛,蔡勋,王晶.自动控制原理虚拟试验平台的设计与应用[J].实验技术与管理,2004,20(4):52-55

[2]曹建荣,谢秀颖,徐红东.虚拟仪器技术在自动控制原理实验中的应用[J].实验室研究与探索,2004,23(5):38-40

[3]李晓,刘天野.电气工程及其自动化专业工程应用型人才培养研究[J].中北大学学报,2007,23(1):83-86

[4]陆绮荣.基于虚拟仪器技术个人实验室的构建[M].北京:电子工业出版社,2006:11-13

[5]邹湘军,孙健,何汉武.虚拟现实技术的演变发展与展望[J].系统仿真学报,2004,(9):9-11

[6]裴锋,杨万生.LabVIEW与MATLAB混合编程[J].电子技术应用, 2004,(03):4-6

[7]黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真[M].北京:国防工业出版社,2001:89-93