信息与控制系统综合实验教学平台建设与实践

付兴建， 刘小河

(北京信息科技大学 自动化学院, 北京 100192)



信息与控制系统综合实验教学平台建设与实践

付兴建， 刘小河

(北京信息科技大学 自动化学院, 北京 100192)

实验室是高等学校培养学生实践能力和创新精神的重要场所。我校自动化专业本科生培养方案，显著强调了实践和创新能力的培养，在实验环节的设置上，更注重设计性和综合性实践环节。建设自动化信息与控制综合实验平台，旨在服务于实验教学，实践性环节和创新人才培养，构建人才培养实践体系平台和环境，全面培养学生工程实践和系统设计能力。本文对我校自动化信息与控制综合实验教学平台建设的建设思路、建设内容等方面进行了探索和实施。

综合实验平台； 实验室建设； 人才培养

0 引 言

我校自动化专业2008年被批准为北京市特色专业建设点，同年开始一本招生，2009年被批准为教育部第四批特色专业建设点，2011年进入教育部卓越计划，2012年开始招生卓越班。2014年通过校内专业评估，2015年申请参加工程认证评估。为满足应用型、创新型人才的培养，加强学生的实践动手能力，培养卓越人才[1-3]。目前自动化专业的实验室教学设备，主要是为专业教学而配备，早已是各个厂商产品化的东西[4]，不太适合对学生创新能力的培养，另外相关的设备也不能进行灵活的应用，在特色专业建设、特色教学装备的研究上难以深入。同时，自动化实验室还要服务于我校多个学院的多门课程课内实验、综合实验环节等，面积和设备数有限，学生班级较多，实验安排存在困难，开放实验和毕业设计内容等不够丰富。2012修订的培养计划中部分专业课程将采用实验室教学的模式，并对学生开展研究训练计划，因此，要配备一些实用的控制类对象，创造更好的创新实验氛围，需要相适应的教学与实验环境，满足教学改革与创新的需求。

要注重学生的创新能力培养，在目前设备上进行创新性实验，其创新程度意义很难再加以扩展。自动化专业应用型创新人才培养体系[5]，不仅要培养优秀的应用型水平高的大学生，而且能锻炼一批有创新精神、勇于攻关、知识结构合理、奋发进取的能进行高水平研究和开发的大学生队伍[6-9]。借住中央财政支持地方高校发展专项资金资助的机会，我们建设了自动化专业信息与控制系统综合实践教学平台。通过项目实施，着重对现有的微机实验室、自动控制理论实验室、伺服控制实验室、计算机测控实验室进行升级改造。对自动控制理论、现代控制理论、计算机控制系统、智能控制技术、自动控制系统仿真、DSP原理及应用、运动控制系统、基于LabVIEW的虚拟仪器设计、嵌入式系统、微机原理等课程，对自动控制系统综合实验、毕业设计、开放实验、创新实验、大创项目等实验项目，有了崭新的综合实践平台。

1 综合实验教学平台建设思路

以工程化实践教学为主体，以科研提升教学水平，以实验教学中心支撑和促进学科专业发展，全面培养学生工程实践和系统设计能力为指导思想，旨在建设一个服务于实验教学，实践性环节和创新人才培养的一体化实验平台[10-12]。自动化专业本科生教育教学培养方案中，显著加强了实践和创新能力的培养[13-14]，实验环节的设置上更注重设计性和综合性实践环节。

学生利用教学实践平台进行实验，可根据自身特点采用不同的层次而进行(见表1)。

基本实验(层次1)为传统方式或简单实验方式。学生根据实验指导书按部就班进行实验，并记录实验结果，完成相应的实验报告，学生基本不需要创新和自由发挥就可以。

拓展与项目实验(层次2)为项目实验方式。学生完成的是一个有明确目标的实验项目(可能会包含多个上述的简单实验)，不再明确规定具体的实验内容和实验步骤，一旦完成实验目标，表明学生已经掌握和该实验有关的所有内容，学生有相当的自由进行创新和发挥。

探索实验(层次3)为探索实验方式。目标不是很明确的实验，但有大致方向，通过实验可能找到更好的方法和途径，或找到某种规律性；可以充分发挥学生的创造性，培养学生的动手和科研能力。通过实验分层次，不仅掌握了基本知识，还可以接触先进技术。从理论验证到设计性实验的编程练习，探索性实验进行相似的产品设计等，使学生有很大收获。

表1 综合实验平台开展的部分实验项目

该教学平台建设，具有系统性、开放性、工程型、先进性的优势，能够达到国内领先的实验教学水平。可以根据自己学生的具体情况进行实验，层次1为基本要求，大部分学生都可以进行；层次2可充分发挥学生的综合能力，可在部分学生中进行；层次3可以充分发挥学生的创新能力，可在少量优秀学生中进行。

该教学实验平台的建立可以提高学生动手操作能力，完善知识结构[15-16]。不仅掌握基本知识，还可以接触先进技术。从理论验证到设计性实验的编程练习，探索性实验进行相似的产品设计等，逐步形成层次，可使学生有很大收获。

2 综合实验教学平台建设内容

自动化专业信息与控制系统综合实验教学平台建设，主要建设内容包括以下四部分。

(1) 现代运动控制系统创新平台(含实时仿真控制软件)。本实验平台综合目前国内各类学科电力电子变流技术、交直流调速、异步电机控制、控制理论等实验项目。采用模块化，可根据不同的要求选择和组合搭配模块。利用TI公司32位高性能TMS320F2812 DSP最新产品做为控制核心芯片，并设计成为基于PCI总线的DSP2812运动控制卡，利用超高速度的PC实现电机控制算法。同时，解决了Windows操作系统下实时控制的关键技术，并开发出电机控制实时控制软件和Matlab实时控制模块库。利用本运动控制卡和接口软件，可以完成交流感应电机、直流无刷电机、开关磁阻电机等众多电机的实时控制实验，直接在Windows系统上使用C、C++或者Basic语言编写电机控制算法，无须了解任何DSP电机控制相关技术，更重要的是，也可以使用Matlab语言编写算法或者用Simulink库搭建电机控制算法。同时，可以进行更复杂的控制算法如自适应控制、解耦控制、滑模变结构控制等实验，可以实现实时参数辨识实验，可以采集系统运行数据。不但可以保存下来做进一步的分析， 甚至可以通过Matlab的REAL-TIME 工具箱或类似的软件，进行参数的实时处理，比如自适应参数辨识和神经网络控制等无法用DSP 实现的算法，都可以方便的实现，以及实现更复杂算法的实时控制功能。比如图1，Simulink模块实现的SPWM开环变频调速。

图1 Simulink模块实现的SPWM开环变频调速

此平台可以做实验的课程包括：运动控制系统、自动控制理论、DSP控制器技术、自动控制系统仿真、自动控制系统综合实验、毕业设计、开放实验、创新实验等。

(2) 伺服电机控制教学创新型平台。本实验装置是一套完整FPGA交直流伺服电机控制系统(见图2)，除提供传统自动控制教学实验外，还提供了FPGA设计DSP伺服电机控制芯片所有源代码，非常容易做二次开发研究，非常符合学校重新规划完整的全新技术伺服电机与自动控制实验室。此装置主要创新性有中文 FPLC人机图控操控系统设计；FPLC 人机图控提供二次开发实验功能；提供4频道示波器实时显示功能，观测伺服电机控制波形显示；提供16频道24 MB逻辑分析实时显示功能，观测伺服电机驱动与电流回馈显示；提供在FPGA 具有DSP交流伺服电机功能控制芯片，并可重新规划设计。分为交流伺服(直流无刷)电机、直流伺服电机、交直流混合控制伺服电机、线性伺服电机自动控制实验四种，可以进行电机创新实验的开展。

图2 基于FPGA的伺服控制教学创新型平台

此设备既可以做基础性试验，比如数字滤波器设计 (FIR)、红外线通讯实验等。又可以做一些可拓展性项目实验，比如走马灯控制实验、四键输入的电子密码锁实验等。还可以进行创新性项目实验，比如FPGA联机设计、内存的运用等。

(3) 环形串联二级倒立摆。购买某公司科技环形倒立摆系列产品，该产品采用开放的控制解决方案和模块化的实验平台，以旋转运动模块为基础平台，轻松构建环型一级倒立摆, 环形串联两级倒立摆、环形并联两级倒立摆，甚至串并联混合三级摆、四级摆等，全方位满足控制研究的需要。系统特点有环形轨道，无机械限位，更适合起摆算法研究实验；采用集电滑环将反馈信号接入控制器，即使摆座无限转动，也不会发生电缆绕结；采用落地式机械结构，无需专用工作台；工业化增量码盘反馈和交流伺服电机驱动；开放性，基于PC和DSP运动控制器的开放式硬件平台；Matlab和DOS开发环境，提供源代码；创新性，随意配置独具个性的实验平台；开发和验证自己的控制算法，挑战并联摆平衡控制和串联摆起摆等控制难题。

采用Matlab实验环境，利用Simulink对系统进行建模分析与控制器设计以及仿真，利用Real-Time Windows Target对系统进行实时控制，可以很方便的将建模与仿真得到的控制器用于实际控制，系统控制界面如图3所示。

图3 系统控制界面

环形倒立摆可以用于机电一体化、自动控制、计算机控制、数据采集与信号处理等课程的实验。实验内容包括实际系统建模与分析、数据采集与处理、控制器设计、根轨迹控制实验、参数辨识、环形一级顺摆的PID/LQR控制仿真与实验、环形二级倒立摆的PID/LQR控制仿真与实验等实验内容，可以采用的控制理论有经典控制理论、现代控制理论、智能控制理论等。可以做实验的课程包括：自动控制系统、智能控制技术、计算机控制、系统辨识、自适应控制等。此套装置主要用于学生探索性的实验。

(4) 嵌入式系统开发平台。支持Linux、WinCE、Vxworks、μC/OS-Ⅱ 4套操作系统，主要是让学生掌握嵌入式开发环境，多线程应用程序设计实验，Linux内核移植与编译实验，简单的嵌入式WEB服务器设计实验，USB摄像头视频采集实验，网口实验，触摸屏实验，TFT LCD液晶显示屏，直流电机实验等。

3 结 语

自动化信息与控制综合实验平台的建设，不仅能保证实验室培养一批基础知识扎实，具有实践动手能力强的学生，而且能锻炼一批有创新精神、勇于攻关、知识结构合理、奋发进取、能进行高水平创新研究和开发的大学生队伍。该教学实验平台建设以后，可以满足包括运动控制系统、自动控制原理、计算机控制系统、嵌入式系统等多门课程、多层次的实验需求，每年服务或参与学生达1 200人。可更新10多项传统实验项目，新增机械臂运动控制、同步电机伺服控制、基于ARM处理器实现视频显示与远程数据采集等不同层次的实验几十项。该创新平台具有系统性、开放性、工程型、先进性的优势，能够达到国内领先的实验教学水平，经济效益和社会效益显著。

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·名人名言·

任何天才不能在孤独的状态中发展。

——爱因斯坦

Exploration and Practice of the Integrated Experimental Teaching Platform for Information and Control System

FUXing-jian,LIUXiao-he

(School of Automation, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China)

Laboratory is an important place for training students’ practical and innovative ability in a university. The cultivation practice and innovation ability are significantly stressed in the training program for automation specialty in our school. The information and control system experimental platform is built to service experimental teaching and creative talents. At the same time, this experimental teaching platform establishes the training practice environments to facilitate students’ practical engineering ability and system design capability. In this paper, the construction ideas and construction content are explored and implemented for the information and control system integrated experimental teaching platform in automation specialty.

integrated experimental platform; laboratory construction; talent training

2015-05-14

北京信息科技大学2013年度高教研究课题资助(2013GJYB10)； 2014年北京市财政项目“本科生培养-教学改革立项与研究”(PXM2014-014224-000088)；北京信息科技大学2015 年人才培养质量提高经费(5111523309 )支持

付兴建(1974-)，男，山东茌平人，博士，副教授，主要从事控制理论与控制工程方面的教学和科研工作。

Tel.：13691300558；E-mail:redbrook@sina.com

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1006-7167(2016)04-0190-04