计算机仿真技术在自动化专业教学过程中的应用研究

白 锐 张 健

辽宁工业大学 辽宁锦州 121001

计算机仿真技术是利用计算机科学和技术的成果建立被仿真系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术[1]。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可方便改变仿真参数、仿真条件等优点，已成为分析、设计、运行和评价的重要工具。计算机仿真技术作为信息科学中的核心技术之一，已经被广泛应用于各行各业中。鉴于计算机仿真技术的优势，目前，已经逐渐被引入到大学教学过程中，并成为一种新颖的教学手段和方法。

自动化学科是一门科学性与工程性并重的学科，理论性和实践性的紧密结合是该学科的重要特征[2]。计算机仿真技术已经在多个高校自动化专业教学过程中得到了广泛的应用，但目前还存在一些问题：

(1)计算机仿真技术还没有深入到自动化专业教学的各个环节中，目前仅停留在课堂演示的层面上，手段单一化，因此还难以更好地发挥计算机仿真技术在专业教学中的优势。

(2)目前只是采用单纯的计算机仿真软件进行教学，而硬件和软件相结合的半实物仿真技术已经成为当前国内外仿真领域的先进技术，我们教学过程中并没有充分利用计算机仿真领域的这一先进技术和理念。

(3)计算机仿真技术虽然已经初步应用到自动化专业的教学过程中，但是还没有形成完善的规则制度、评价体系、应用范围和适用课程等详细资料，从而使计算机仿真和教学过程相结合这一新颖的教学手段缺乏系统完善的理论依据、实施手段和方法路线等，不够系统化、规范化和制度化。

为解决上述问题，笔者以自动化专业教学为背景，深入细致地研究计算机仿真技术与自动化专业教学相结合这一新颖有效的教学方法。研究包括计算机仿真技术在多个教学过程中深入全面的使用，半实物仿真等先进计算机仿真技术在教学过程中的应用，计算机仿真教学的系统化、规范化等内容。研究将能够显著地丰富和完善现有的教学手段和模式，有利于培养学生的创新能力，从而为“卓越工程师”培养计划提供一种新的思路和方法，可获得良好的教学效果。

1 计算机仿真技术在自动化教学环节中的应用

1.1 计算机仿真技术在课堂授课中的应用

对于自动化专业课程的某些知识内容，仅仅依靠板书或者幻灯片等教学手段并不能够使学生透彻真正地理解。利用计算机仿真软件对这些知识内容在课堂上进行仿真演示，通过改变仿真参数和仿真条件，获得不同的仿真结果，能够使知识内容的传授更加生动和直观，从而加深学生的理解。

因此，首先要全面深入地分析自动化专业各个课程教学内容、课程性质等特点，结合计算机仿真技术的优势和劣势，确定出在哪些专业课程中、哪些知识内容中需要引入计算机仿真技术。目前，笔者所在单位针对自动化专业的一些主要专业课程，如“交流调速控制系统”“直流拖动控制系统”“过程控制系统”“集散控制系统”“电力电子技术”和“电机拖动”等课程，开发了多个计算机仿真演示软件，并将这些计算机仿真演示软件应用于课堂教学过程中。

1.2 计算机仿真技术在课程实验中的应用

目前，多数课程的实验手段都是单一的利用实验装置进行。受硬件设备等限制因素影响，一台实验装置还难以完成多项实验内容。计算机仿真实验不仅可以在一定程度上解决教学资源限制的问题，更重要的是，在仿真实验中，学生可以方便地观察在实验装置中难以直接观测的内部参数变化和动态波形，通过对仿真曲线分析可以更加深刻、形象地理解各个知识内容，从而激发学生的学习热情，启发学生的探索性、主动性和创造性。

因此，针对上述主要专业课程，开发多个计算机仿真实验软件，并作为各个课程的实验内容，形成以“实物装置实验为主，计算机仿真实验为辅”的课程实验内容体系。

1.3 计算机仿真技术在课程设计中的应用

结合相关专业课程设计的目的及性质，设计并规划出相应的、与计算机仿真技术相结合的课程设计题目以及课程设计内容，并应用到课程设计过程中。目前，笔者所在单位已经将计算机仿真技术应用到某些专业课程的设计中，如“交流调速控制系统课程设计”“过程控制系统课程设计”“电气控制与PLC技术课程设计”“电力电子技术课程设计”等，引导学生在课程设计中采用计算机仿真技术对所设计的内容进行仿真验证。

1.4 计算机仿真技术在毕业设计中的应用

毕业设计是自动化专业教学过程中的重要环节。根据专业特点，自动化专业的毕业设计内容多数是针对冶金、化工等工业过程进行控制系统的设计。学生在毕业设计过程中虽然对控制系统进行了设计，但多数情况下难以将所设计的控制系统应用到实际工业现场中进行验证，因此学生也不能清晰地知道自己采用的控制方法以及开发的控制程序是否正确。为解决这一问题，可以将计算机仿真技术引入到自动化专业的毕业设计中，引导学生在毕业设计中采用计算机仿真技术对所设计的内容进行仿真验证。首先完成控制系统的设计和软件开发，然后利用计算机仿真技术对设计控制方法和控制程序进行仿真验证，从而使学生能够更加深刻理解和掌握毕业设计的内容，提高毕业设计的效果。

2 先进仿真技术在教学过程中的应用—工业控制系统半实物仿真实验平台的设计、开发及教学应用

与工程实践的紧密结合是自动化专业的重要特征之一[3]。但受教学手段和教学资源的限制，在目前的课程设计、毕业设计等环节中，学生很难将自己的设计方案以及开发程序应用到实际的工业对象中，这样就导致了学生难以检验自己的设计效果，从而也难以提高学生的设计能力。虽然计算机仿真技术已经在自动化专业教学过程中得到了应用，但目前的应用只局限于使用仿真软件的层面上，即课堂演示、课程实验等内容都是使用软件的方式。

为了解决这一问题，笔者将半实物仿真(Hardwarein-the-loop-simulation)等先进的计算机仿真技术引入到自动化专业教学过程中。半实物仿真是将控制器(实物)与在计算机上实现的控制对象仿真模型连接在一起进行实验的技术。在这种实验中，控制器的动态特性、静态特性和非线性因素等都能真实地反映出来，因此它是一种更接近实际的仿真试验技术。

笔者将硬件和软件结合，研制出由实际的PLC控制系统、PC机和计算机仿真软件所组成的半实物仿真实验平台。与纯粹的仿真软件相比，该仿真实验平台能够更好地提高教学效果。半实物仿真实验平台利用我校罗克韦尔工业控制网络实验室的相关设备，主要组成部分包括罗克韦尔的ControlLogix PLC、检测仪表和执行机构装置、工业过程的模型计算机。ControlLogix PLC、检测仪表和执行机构装置均为工业过程控制中的实际设备，工业过程的模型计算机通过运行仿真软件来模拟实际的工业过程。采用上述半实物仿真实验平台，学生可以将自己的设计方案和控制程序在该平台上进行验证，从而能够提高学生的设计能力，实现课程设计和毕业设计的教学目的。

3 结束语

将计算机仿真技术与自动化专业教学进行紧密的结合，探讨如何将计算机仿真技术更好地应用在自动化专业的教学过程中。将计算机仿真技术分别应用在课堂授课、课程实验、课程设计和毕业设计等教学环节中，并将先进的仿真技术—半实物仿真引入到教学过程中。所研究的内容能够丰富现有的教学方法，有利于培养学生的创新能力。

[1]郝培峰,崔建江,肖文栋,计算机仿真技术[M].沈阳:东北大学出版社,2003.

[2]戴先中.自动化科学与技术学科的内容、地位与体系[M].北京:高等教育出版社,2003.

[3]刘建昌,徐心和.自动化专业实践教学重要性剖析[J].实验室研究与探索,2005(12):94-95.