应用型本科院校《自动控制原理实验》教学改革的探索与实践

滨州学院自动控制研究中心 高联学

滨州技术学院 曹洪霞

1.引言

自动控制原理课程是自动化、电气工程、电子信息、通信工程等专业非常重要的专业基础课，具有知识理论系统性较强，概念抽象，实践应用性强等特点。单纯的课堂教学容易造成理论和实践脱节的情况，特别是应用型本科院校更应重视实验教学。搞好实验教学是整个自动控制理论教学过程中及其重要的环节，可以使学生更好地理解基础知识，更好地实现理论和实践的结合[1]。但是传统的实验箱教学法受实验条件、仪器设备条件及一些人为因素的限制，往往得不到预期的实验效果。

Matlab仿真教学法虽能够弥补实验箱教学法的不足，但受程序编写的限制，部分同学的实验效果并不理想。基于Multisim的虚拟实验教学法可以弥补上述两种实验教学法的不足，极大地提高了学生做实验的积极性和主动性。

2.传统实验箱教学方法

我校电气工程与自动化专业开设的自动控制原理实验采用的是labACT自动控制/计算机控制原理实验箱。下面简单介绍一下该实验箱的构成及实验箱的主要功能。

2.1 实验箱的组成

labACT自动控制/计算机控制原理实验箱由以下七个模块组成：(1)自动控制原理实验模块；(2)计算机控制原理实验模块；(3)信号源模块；(4)控制对象模块；(5)虚拟示波器模块；(6)控制对象输入显示模块；(7)CPU控制模块。

自动控制原理实验模块由模拟运算单元及模拟运算扩充库组成，这些模拟运算单元的输入回路和反馈回路上配有多个各种参数的电阻、电容，因此可以完成各种自动控制模拟运算。例如构成比例环节、惯性环节、积分环节、比例微分环节，PID环节和典型的二阶、三阶系统等。利用本实验机所提供的多种信号源输入到模拟运算单元中去，再使用本实验机提供的虚拟示波器界面可观察和分析各种自动控制、计算机控制原理实验的响应曲线，如图1所示。

图1 各模块相互交联关系框图

2.2 实验箱的主要功能

(1)显示与功能选择模块及函数发生器：由5位8段数码管、16个指示灯、四个功能选择按键和3个测试孔组成。该实验区是独立于实验机的CPU控制模块，提供控制对象输出显示，並实现函数发生器的十种(可选择)波形输出切换控制和显示。函数发生器是各函数及波形发生的控制和输出模块，它含有十种(可选择)波形输出，有4个函数波形调节电位器、1个波形量程选择开关和各函数发生的输出口组成。各波形和函数的输出选择在模块中选择设置。

(2)数模转换器：采用ADC0832作为数/模转换，可实现8bit数字输入转换为模拟量。数字0～0FFH输入，经数/模转换后输出测孔1输出为0～+5V模拟量。经运放处理后，在输出测孔2输出为-5V～+5V。

(3)虚拟示波器：该虚拟示波器提供两通道模拟信号输入测孔，配合上位机软件的示波器窗口，可以实现波形的显示、存储，可以有效的观察实验中各点信号的波形。虚拟示波器每个输入通道都配有量程开关，当量程开关拨到×1位置，表示输入不衰减，输入范围-5V～+5V，如果超出此范围，应把量程开关拨到×5位置，此时输入信号将被衰减5倍。

(4)模数转换器：机采用DAC0809作为模/数转换，可实现8bit数字输出。

(5)定时器、中断单元：本单元提供CPU控制模块中的定时器8253的计数器1、计数器2测孔；8259中断控制器测孔。

这种实验箱教学法的特点是直观、简单，能够提高学生的实际动手操作能力。但是在实验教学中发现，大多数学生只要按照实验教材上的步骤，一步步的去做，就能顺利的完成数据的测试和波形的输出。这种实验教学方式在很大程度上限制了学生的思维创新能力和创造力，限制了学生做实验的积极主动性，也不利于学生工程实践能力的培养[2]。

3.Matlab仿真教学法

Matlab作为实验仿真常用软件之一，在进行实验项目的开发时能够有效的弥补某些传统实验箱的不足，充分利用其图形用户界面设计技术强的仿真功能完成原来在实验箱上所要完成的实验，不仅可以将抽象的理论知识运用文字、图形、数据等多种形式展示出来，更为实验教学提供了一个操作简便、界面友好的仿真环境。Matlab是一种面向对象的交互式程序设计语言，具有友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言、高效的数值计算及符号计算功能、完备的图形处理功能以及功能丰富的应用工具箱等特点。在利用其进行工程计算和系统仿真时，可以略去复杂的理论推导过程，使得编程更加快捷方便，易于实现。在设计界面内，学生可以根据提示完成整个实验过程[3]。

这种实验方法主要是根据数学模型进行编程、仿真，能够对实验箱所得出的实验结果进行验证。但是对于那些数学建模不擅长，编程能力不够的同学来说这种实验方法存在一定的难度。

4.基于Multisim的虚拟实验教学法

4.1 虚拟实验教学法的特点

使未做过实验的学生通过仿真软件对实验的整体环境、所用仪器的整体结构能建立起直观的认识。仪器的任何部位可拆卸，可解剖进行调整并实时观察仪器的各种指标和内部结构的动作，增强了熟悉仪器功能和使用方法的训练。在实验中仪器实现了模块化，学生可对提供的仪器进行选择和组合，用不同的方法完成同一实验目标，培养学生的设计思考能力和对不同实验方法的优劣、误差大小的比较、判断能力。软件能通过深入解剖教学过程，设计上充分体现教学思想的指导，使学生必须在理解的基础上认真思考才能正确操作，克服了实验中出现的盲目操作和实验“走过场”现象的缺点，使学生切实受益，大大提高了实验教学的质量和水平。

4.2 虚拟实验教学法实现形式

基于Multisim的自动控制虚拟实验教学系统实现了基于Internet上的远程网络教学，并实现“自动控制分布式远程虚拟实验教学系统”的远程实验报告管理，具有一定的规模和水准，该软件通过计算机把实验设备、教学内容、教师指导和学生的操作有机地融合为一体，形成了一部活的、可操作的自动控制实验教科书。通过虚拟仿真自动控制实验学习，加深了学生对实验的物理思想和方法、仪器的结构及原理的理解，达到实际实验难以实现的效果，实现了培养动手能力，学习实验技能，深化理论知识的目的，同时增强了学生对自动控制实验的兴趣，大大提高了实验教学水平，是实验教学改革的有力工具，增强实验环境的模拟。

实验中待测的控制变量随机产生，以适应同时实验的不同学生和同一学生的不同次操作有不同的正确结果。对实验误差也进行了模拟，以评价实验质量的优劣。对学生的实验报告进行数据库管理，可以存储、评阅、查看和打印。

用Multisim进行仿真模拟实验，实验过程非常接近实际操作的效果。各元器件选择范围广，参数修改方便，不会象实际操作那样多次地把元件焊下而损坏器件和印刷电路板。使电路调试变得快捷方便。对《自动控制原理》课程中的绝大部分电路都能应用，不仅能用于对单个电路特性和原理进行验证，也能就用于复杂的组合电路。

在虚拟实验室做实验，可以避免真实实验或操作所带来的各种危险.以往对于危险的或对人体健康有危害的实验，一般采用看电视录象的方式来取代做实验，学习者无法直接参与实验，获得感性认识。利用虚拟现实技术做实验则可以免除这种顾虑。学习者在虚拟实验环境中，可以放心的去做各种危险或危害人体的实验。

5.结论

本文分析了传统的实验箱教学法、Matlab仿真教学法和基于Multisim的虚拟实验教学法的优缺点。在自动控制原理实验的教学过程中应用Multisim进行虚拟实验，可为教学提供极大地方便，可省去用实际元器件安装、调试电路的过程，同时还能够启发学生从验证实验的传统思维逐步转向电路分析、故障排除和电路设计等方面过渡，这对于学生今后的发展非常有用[4]。

[1]张栋.自动控制原理实验教学改革探索与实践[J].实验室科学,2011,14(5)：37-40.

[2]柳明,王海军,郭庆叶.自动控制原理实验教学改革与实践[J].实验室科学,2012,15(4)：58-60.

[3]盛立,高明.“自动控制原理”课程建设与改革的新思路[J].滨州学院学报,2012,28(3)：112-115.

[4]唐成祥.Multisim 11仿真实验技术在电子线路课程教学中的应用[J].广西教育,2012(9)：185-186.