三维虚拟仿真系统在实验教学中的应用

李彦江，谭冲，吕建婷，巩诚



三维虚拟仿真系统在实验教学中的应用

李彦江1，谭冲2，吕建婷1，巩诚1

（1. 黑龙江大学 数学科学学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2. 哈尔滨理工大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150080）

介绍了三维虚拟仿真实验系统在高校控制类专业实验教学过程中的应用．在传统实验教学的基础上，借助三维虚拟仿真系统构建虚拟仿真实验，补充传统实验教学的不足，提高了学生实践动手能力，为培养控制类专业高层次实践创新人才提供了有效途径．

三维虚拟仿真系统；控制类课程；实验教学

随着互联网技术的迅速发展，传统教育正面临着数字化、信息化和网络化的巨大冲击．互联网的开放性、实时交互性、人性化和个性化等优势变得越来越明显．因此，如何将互联网和传统教育有机结合达到更理想、更高效的教学效果成为现代教育面临的主要问题[1]，而基于互联网的教学模式将成为现代教育的一种重要方式．它可以大幅度地提高教育的质量和效率，更深层次地改进网络环境下师生间的交互体验[2]．

实验是教学活动不可或缺的一个教学环节，有利于培养学生的实践能力[3]．传统实验主要通过固定实验和实物实验方式训练和提升学生的实践能力．在固定实验中，学生按照实验指导书连接好系统，输入相应程序即可完成实验，无法深入地运用理论知识解决实际问题．在实物实验中，学生可以亲手安装和调试实际系统，充分培养动手能力．但实物实验受到设备数量和品种等方面的限制，占用课时多，消耗大，成本高．互联网的介入使实验教学得以广泛实现与推广．学生通过虚拟仿真实验在线编译实时仿真，使每个学生都能参与实验，调动学生的积极性，解决了实验设备欠缺和资金不足等问题．因此，虚拟仿真实验教学系统作为一种新的教学手段正逐步运用于控制类课程实验教学，为实验教学提供有利条件．

1三维虚拟仿真实验室系统

目前，网络虚拟教学的发展在我国还处于初级阶段，但是发展速度迅猛[4]．国内许多高校都在积极地研究和开发基于Web的网络教育应用系统，构建更为有效的虚拟校园，以适应先进理论，特别是先进控制类课程教学[5-8]．如清华网络学堂虚拟教学平台、北京大学虚拟教学平台和哈尔滨工业大学虚拟教学平台等．

哈尔滨工业大学刘国平教授团队的网络化控制系统三维实时仿真实验室（3D-NCSLab）是基于互联网的三维虚拟现实的实时仿真控制系统实验室．它集成了多种三维虚拟现实的实验设备，对各类经典控制（如基于传递函数的PID控制、频率响应法和根轨迹法）、现代控制（如基于状态空间方程的LQR控制）、先进控制系统（如神经网络控制）进行实时仿真，它可针对各种三维虚拟被控制对象，在互联网浏览器中对控制方法和策略进行闭环控制系统的可视化组态设计；然后自动生成可执行代码，通过网络下载到实时仿真控制器中执行，实现控制系统的实时仿真；同时经网络化可视监控组态设计可实现远程监视和远程调试．该系统主要由网络化实时控制仿真器、3D虚拟实验设备卡、系统服务器和交换机组成．

网络化控制系统三维虚拟仿真实验室可作为自动控制理论和控制技术教学、研究、实验和评估的平台，可以快速建立闭环控制系统原型，进行控制算法开发、实现和验证等工作，搭建起控制理论与实际应用之间的桥梁．该系统包含运动控制、伺服控制、过程控制和复杂控制等4个子实验室，集成了20种三维虚拟被控制对象，可以利用该平台学习这些被控制对象的控制方法．系统主要包含高性能的网络化实时控制仿真器和功能强大的系统服务器２个部分．网络化实时控制仿真器运行具体控制算法，通过网络接口接收监控组态平台的控制参数与控制命令，并将控制对象的运行状态实时地上传至监控组态平台．它基于20个高性能、低功耗的32位ARM微处理器，运行嵌入式操作系统，采用模块化设计，提供网络接口，具有较高的运行速度和较大的寻址能力，加上嵌入式操作系统的多任务和实时性，可以完全保证复杂控制算法的流畅运行．系统服务器用来与用户进行交互，帮助网站完成Web仿真和编译功能．系统服务器具有稳定、高效的特点并具有丰富的功能，包括系统设定配置、首页页面管理、实验室的管理、实验设备的管理、用户管理和新闻管理等．该系统可以全天候运行，满足20人同时在线进行实验，还有共享算法功能，用户也可以根据系统提供的资料独自进行实验．在3D-NCSLab系统架构中，服务器端是一个重要组成部分，它将客户端与设备控制单元通过网络结合在了一起，同时也使在Web网页编译MATLAB控制算法成为可能．服务器端包括MATLAB服务器和3D-NCSLab web服务器，它们在3D-NCSLab系统中分担着不同的工作．

2 三维虚拟仿真实验室系统在实验教学中的优势

网络化控制系统三维虚拟仿真实验室充分地解决了实验室设备数量欠缺，品种单一，耗材消耗大，成本高等缺点，它以其高效率、低成本、内容丰富、性能有效和安全等优势得到广泛的应用和推广．3D-NCSLab让学生在模拟的真实情境下进行学习和研究，这种教学方法生动形象，更贴近现实工作场景和实际工程系统，有利于提高学生的学习兴趣，使学生在短时间内融入相应工作场景，真实地体验在现实生活中进行设计、控制与操作的感觉，以达到更快掌握操作技能的目的．而且，这种教学方法可以利用计算机软件的优势创造出灵活多样的工作场景，使学生可以不受场地与设备的限制，体验更多的实际工作场景，将所学理论知识应用到各种实际场景中，从而掌握更多实际的操作技能和经验，更好地将理论与实践相结合，从而掌握更多的技能，提升学生的动手实践能力．

3结论

三维虚拟仿真系统可以弥补传统实验教学设备短缺、空间不足和成本高的缺陷，完成先进虚拟设备的集成与整合，降低教育设备的总体投入，加强师生间的相互协作，提高学生的学习热情，锻炼学生的动手能力，提升学生的实践能力．

[1] 张启，王婷．关于虚拟教学实验模式的探讨[J]．科技信息，2010（15）：235

[2] 卢云辉．论虚拟教学系统的结构与功能继续教育研究，2009（6）：171-172

[3] 中华人民共和国教育部．教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见[EB/OL]．（2012-03-16）[2016-01-02].http:// www.moe.edu.cn

[4] 张进．网上虚拟教学学习资源中心的建设[J]．电化教育研究，2005（4）：77-80

[5] 韩芝侠，魏辽博，韩宏博，等．仿真虚拟实验教学的研究与实践[J]．实验技术与管理，2006，23（5）：63-65

[6] 刘春生，张绍杰，王晶．“最优控制理论”研究生课程教学的探索与实践[J]．电气电子教学学报，2015，37（3）：30-32

[7] 岳东．网络控制系统的分析与综合[M]．北京：科学出版社，2007

[8] 刘涛，黄梓瑜．智能控制系统综述[J]．信息通信，2014（8）：101-102

Application of 3D virtual simulation system in the experimental teaching

LI Yan-jiang1，TAN Chong2，Lü Jian-ting1，GONG Cheng1

（1.School of Mathematical Science，Heilongjiang University，Harbin 150080，China 2. School of Automation，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

The application of 3D virtual simulation system is studied in the experimental teaching for the cybernetics specialty．On the basis of the traditional experimental teaching，3D virtual simulation system is used to establish virtual experiments，which can supply the lack of traditional experimental teaching and improve students′ practical ability．The 3D virtual simulation system is an efficient way to train the high level practical and creative talents of the control specialty．

3D virtual simulation system；control course；experimental teaching

O23∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.04.016

2016-03-02

2015年黑龙江省学位与研究生教育教学改革研究项目（JGXM_HLJ_2015056）；2015年黑龙江大学学位与研究生教育教学改革研究项目（GXM_YJS_2015008）；2014年黑龙江省高等学校教改工程资助项目（JG2014011142）

李彦江（1980-），男，黑龙江哈尔滨人，副教授，博士，从事网络化控制系统和T-S模糊系统研究．E-mail：2010024@hlju.edu.cn

1007-9831（2016）04-0059-03