“自控原理”虚实结合实验平台设计与应用

胡 燕， 黄 霞， 张冰洋

(1. 中南民族大学 电子信息工程学院, 智能无线通信湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430074；2. 中南民族大学 实验教学中心, 湖北 武汉 430074)

“自控原理”虚实结合实验平台设计与应用

胡 燕1， 黄 霞2， 张冰洋2

(1. 中南民族大学 电子信息工程学院, 智能无线通信湖北省重点实验室, 湖北 武汉 430074；2. 中南民族大学 实验教学中心, 湖北 武汉 430074)

针对目前高校“自动控制原理”实验教学中存在的问题,基于CDIO工程教育理念设计和应用“自动控制原理”课程虚实结合的实验平台。实验平台结合软件仿真实验和硬件实验的优势,集模型仿真、电路仿真和硬件电路系统调试为一体,既可以完成硬件实验，又可以完成软件仿真实验,并且可以将二者相结合,实现虚实相结合的实验。该虚实结合实验平台的使用加深了学生对自动控制理论基本原理和综合系统分析方法的理解,有效地提高了学生的综合分析和动手能力。

自动控制原理； CDIO； 实验平台； 虚实结合

目前“自动控制原理”课程的实验教学一般采取两种模式,一种是基于Matlab 的软件仿真实验模式,另一种是基于电子线路的控制系统的硬件实现模式。两种模式各有优缺点,软件仿真实验模式能够灵活构建实验系统,便于进行控制系统的原理验证和设计,但是软件仿真不接触实际器件,容易造成学生对控制系统的感性认识不足,也不能锻炼学生的硬件调试能力,并且软件仿真实验是在理想情况下进行,不能完全反映实际系统的故障和异常运行情况,导致学生缺少对实际问题的分析及对控制系统的切实体会[1-2]。硬件实现模式能锻炼学生的动手实践能力，但由于系统构建和测试所耗时间长,会导致学生专注于电路的实现,忽视对所搭建的控制系统实现方式和实验结果的分析和思考;实验中经常会受到元件参数不稳定的影响或设备条件的限制,使实验值和理论值不相吻合或误差过大,容易导致学生产生错误的理解；并且某些内容无法实验,或实验结果不直观。因此,设计一种虚实结合的实验平台,结合软件模式和硬件模式的优点,对实验平台和实验项目进行合理设计,使学生通过该平台进行“自动控制原理”课程实验后,学生既能实现对控制理论的思考,也能获得对控制系统的具体实现和调试的切身体会,在实验过程中实现对课本知识的理解与升华,提高学生的工程实践应用能力。

1 虚实结合实验平台功能设计

1.1 功能集成化设计

虚实结合实验平台采用集成化设计思路,结合了电路设计、数据采集、数据处理和虚拟仪器技术,既提供实体实验所需的硬件电路,又提供仿真软件和虚拟仪器；既可以完成硬件实验模式,又可以完成软件仿真实验模式,并且可以将二者相结合,实现虚实结合的实验。

该虚实结合实验平台主要由操作台和实验台组成。实验台提供电路模块等,实验过程中根据实验需要可以进行灵活组合、构成自动控制系统的各种典型环节和系统。如果要进行硬件实验,实验时另配备信号发生器、示波器等仪器仪表。实验台内设计有数据处理单元,用于数据采集、输出以及与上位机的通信。虚实结合实验平台配备PC机作为操作台,PC机安装仿真软件Matlab和虚拟电子工作平台Multisim,可以进行控制系统的模型仿真和电路仿真,而且可以基于LabView设计虚拟仪器如信号发生器、虚拟示波器等作为控制系统所需的信号源和测试仪器,形成集模型仿真、电路仿真和硬件电路系统调试、软件硬件虚实结合为一体的实验教学模式[3-5]。

1.2 开放式设计

该实验平台可以满足不同层次要求的实验,自动控制原理课程的基本和综合实验可由平台提供的硬件电路模块和实验对象完成；设计型、创新型实验可通过虚拟仿真实验完成。该实验平台可以满足实验的灵活性和有效性的要求,同时系统的硬件、软件设计,充分考虑了开放型、研究型实验的需要,可自行设计实验。为保证设计的科学性和实效性,对上位机界面及工具栏中按钮的位置和组合方式等根据应用测试的使用效果进行了多次调整[6-8]。

1.3 模块化设计

实验台布局采用模块化布局设计,对实验功能区进行合理分配。接线简单,易于操作。实验项目和内容更改方便,易于实现扩展功能。

2 虚实结合实验平台结构设计

该虚实结合实验平台结构见图1。该虚实结合实验平台由上位PC微机(含实验系统上位机应用软件)、实验台、USB通信线等组成。实验台由计算机接口板、电路实验板、实物对象实验板组成。

图1 虚实结合实验平台结构

计算机接口板内含数据采集卡,通过USB口与上位PC进行通信。数据采集卡具有8路12位A/D输入通道和2路12位D/A输出通道。与上位机一起使用时,可同时使用其中2个输入和2个输出通道。结合上位机软件,用以实现虚拟示波器、信号发生器以及数字控制器功能。

实验板主要由电源单元、信号源单元、元器件单元、非线性单元以及模拟电路单元等组成。电源包括电源开关、保险丝、+5 V、-5 V、+15 V、-15 V、0 V以及1.3 V～15 V可调电压的输出。信号源单元可以产生频率与幅值可调的周期阶跃信号、周期斜坡信号、周期抛物线信号以及正弦信号,并提供与周期阶跃、斜坡、抛物线信号相配合的周期锁零信号。元器件单元提供实验所需的电容、电阻与电位器,另提供插接电路供放置自己选定大小的元器件。非线性单元用于构成不同的典型非线性环节,如具有死区特性或间隙特性的非线性环节模拟电路、具有继电特性的非线性环节模拟电路、具有饱和特性的非线性环节模拟电路。模拟电路单元为由运算放大器与电阻、电容等器件组成的模拟电路单元；其中1个为倒相电路,实验时通常用作反相器,其余8个模拟电路单元内都有用场效应管组成的锁零电路和运放调零电位器。

实物对象实验板提供了直流电机闭环调速系统、温度PID控制系统、单水箱液位控制系统等实物系统,学生可在实验装置上进行工程实践[9-11]。

3 虚实结合实验平台应用举例

采用虚实结合实验平台进行“自动控制原理”课程的实验时,利用实验台搭建模拟电路,连接成典型环节或系统,实验台和操作台的计算机通过A/D、D/A转换卡和数据线进行通信,由操作台计算机产生各种典型输入信号,经过A/D转换后送给模拟电路；模拟电路输出信号经过D/A转换后送到计算机,由上位机上的虚拟示波器来观察实验结果。即利用计算机、A/D、D/A 接口卡并配有相应的实验软件,实现信号发生、数据采集、波形记录及显示功能。

图2 比例积分电路

学生利用虚实结合实验平台上的模拟电路单元[9-12]搭建电路,如图3所示。基于LabView 设计的上位机软件控制数据采集卡的D/A输出通道提供控制系统的激励信号。本实验中数据采集卡的D/A输出端口O1输出阶跃信号作为比例积分环节的输入,电路的输出与数据采集卡的A/D输入端口I2连接,经过处理后的数据在上位机的虚拟示波器上显示，即实验台搭建的模拟电路连接是基于LabVIEW 的信号发生器和虚拟示波器,组成控制系统进行测试。比例积分典型环节的激励与响应的波形如图4所示。

图3 实验平台搭建的比例积分电路

图4 比例积分激励与响应波形

在进行实验时,首先要求学生掌握典型环节即比例积分模拟电路的构成及其动态特性,根据实验中给定的控制系统方块图或传递函数,设计出控制系统的模拟电路图,然后动手在实验台搭建模拟电路来实现实际的控制系统,通过操作台PC机中的虚拟信号发生器提供系统的激励,利用虚拟示波器观察系统响应，即利用基于LabVIEW 的信号发生器和虚拟示波器组成自动控制实验系统。学生通过虚拟结合实验平台,在实验过程中通过搭建电路可以对控制系统的构成有一个感性的认识；基于LabView的虚拟仪器代替了实际信号发生器和示波器的作用,实验过程中无需过多调试仪器,实验过程变得简单,使学生可以把重点放在对实验结果的分析上。

4 虚实结合实验平台应用分析

4.1 卷面考试成绩检验分析

2013/2014学年学生实验班和参照班的考试成绩对比分析。自变量为学习条件,包括采用虚实结合实验平台(实验组)和传统实验即纯实物实验(控制组)两种条件,也即本研究操控的变量或原因变量,因变量是不同实验条件下学生的期末学习成绩,也即结果变量。

采用统计软件SPSS17.0对2013/2014学年实验组和控制组学生的考试成绩平均数差异显著性进行独立样本t检验,结果发现两组学生的学业成绩的差异显著,t(88)=5.11,p=0.03<0.05,虚实结合实验平台条件下学生的学习成绩显著高于传统实验即纯实物实验条件下学生的学习成绩,如表1所示。

表1 2013/2014学年实验组和控制组独立样本t检验

注:p表示不同组别被试间差异，p<0.05表示差异显著，p<0.01十分显著,p<0.001特别显著。

从卷面试题反映的理论知识的清晰度方面看,采用虚实结合实验平台的实验班学生强于普通班学生；从工程实践的角度可以看出,在完成系统设计的时间方面,实验班学生的完成实验时间短于普通班学生；在搭建系统电路的质量方面,实验班学生的电路质量高于普通班学生；在调试系统时间方面,实验班学生的时间短于普通班学生。

4.2 学生体验和评价

传统的仪器使用起来比较繁琐，而且往往效率低下,从功能电路的设计、焊接、调试及组合到整体测试往往经历比较繁琐的过程,而且函数信号发生器和示波器的使用比较麻烦,尤其是示波器的使用对学生而言是有难度的,探头的质量要求高，而且昂贵,使用不当还容易损坏,示波器的参数设置和相关调整也不是简单一两步就能调好完成的,而且得到的波形效果往往不尽如人意。

仿真常用在理论设计和一定程度上验证电路的可行性方面,仿真结果常常无法保证设计电路的功能可以在实际的电路中反映出来,也就是实际电路和设计电路存在偏差。在虚实结合实验平台系统中,学生可以采用虚实结合的实验方式,将设计的电路用实际电路搭建起来,采用基于LabView的虚拟仪器能马上验证电路的正确性,不仅解决了纯软件设计仿真与实际电路有误差的不可靠性,也减少了传统仪器操作的麻烦,同时解决了因应用软件而忽略动手能力培养的问题,因为虚拟仪器Labview所依赖的正是需要学生动手完成的电路。

4.3 CDIO培养模式的体现

CDIO工程教育模式“做中学”的理念和方法适合工科教学过程的各个环节。CDIO代表构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate),虚实结合实验平台的设计和应用是在CDIO模式下进行的探索研究。

虚实结合实验平台将虚拟仪器技术引入实验教学中,利用虚拟仪器能够方便快捷地完成系统的测试和功能分析。相对传统实验,虚实结合实验平台不仅仅锻炼了学生的实践动手能力,还引导学生在实验过程中思考问题、解决问题,体现了CDIO模式“做中学”的理念和方法。CDIO “设计”理念一直贯穿于虚实结合实验平台的设计研究中。“自控原理”虚实结合实验平台设计的中心思想是以学生为中心,引导学生“主动学习”,在系统设计过程中充分提供给学生主动学习和动手实践的资源和工具,引导学生思考和研讨。通过整合虚拟实验和真实实验,创造更多的机会让学生动手实践和全身心投入学习,利于培养学生分析问题和解决问题的能力。

“自控原理”虚实结合实验平台采用了课前、课中、课后的混合式学习应用模式,体现了CDIO“构思”、“设计”、“实现”和“运作”等典型环节的思想。本课程的实验教学体现了CDIO模式的“实现”及“运作”环节。要求学生在实验前使用虚拟实验进行实验预习,在进行硬件实验前能够掌握有关系统参数的调节范围和规律,避免实验的盲目性和可能出现的硬件电路损坏,能训练学生的仪器使用、线路搭建的能力和思维逻辑性；在实验过程中,通过小组合作促使学生协作学习,发动小组讨论,加以教师引导,促进学生分析实验结果，并对比理论结果找出差异、分析原因；课后利用虚拟实验体验实验过程,促进学习者反思和深度学习,这些都利于培养学生实践能力和应用能力。

5 结束语

本文设计的虚实结合实验平台,将软件仿真实验和硬件实验相结合,设计了一种功能集成化、设计模块化、开放的自动控制系统实验台,形成集模型仿真、电路仿真和硬件电路系统调试,软件硬件虚实结合为一体的实验教学模式,基于CDIO工程教育理念设计实验平台、设计实验项目和对学生进行实验教学,有利于提高学生自动控制理论分析设计和电路系统调试的综合能力。

References)

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Design and application of virtual-actual combination experimental platform for Automatic Control Principle course

Hu Yan1， Huang Xia2， Zhang bingyang2

(1. Hubei Key Laboratory of Intelligent Wireless Communications, College of Electronics and Information, South-Certral University for Nationalities, Wuhan 430074, China; 2. Expermetal Teaching Center, South-Certral University for Nationalities, Wuhan 430074, China)

Aiming at the existing problems of Automatic Control Principle course in experimental teaching in colleges and universities, the virtual-actual combination experimental platform for Automatic Control Principle course based on CDIO engineering education concept is designed and applied. Combining the advantage of software simulation and hardware experiment, the experimental platform sets model simulation (MATLAB), circuit simulation (Multisim) and debugging of hardware circuit system as a whole. It can perform the hardware experiments and the software simulation, and it can realize the virtual-actual combination experiments. The application of virtual-actual combination experimental platform makes students understand deeply the basic principle of automatic control theory and analysing method of comprehensive system, and improves effectively students’ comprehensive analysis and practice ability, achieving the effect of experimental teaching.

automatic control principle; CDIO; experimental platform; virtual-actual combination

2015- 05- 22 修改日期：2015- 07- 10

中南民族大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(CZY13001)

胡燕(1972—)，女，湖北武汉，博士,副教授，研究方向为控制科学与工程

E-mail：mail:huyan1106@126.com

张冰洋(1986—)，男，湖北武汉，硕士，助理实验师.

E-mail：witzby@qq.com

TP391.9；G642.423

A

1002-4956(2015)12- 0084- 05