基于虚拟仿真技术的控制工程基础实践教学改革和创新能力培养

宋强 师会超

摘 要 针对控制工程基础实践教学中存在的问题，详细阐述在控制工程基础课程教学方法、教学手段、教学内容、实验教学、考核方式等方面的教学改革探索与实践。分别采用仿真软件MATLAB、Simulink、LabVIEW等建立控制工程基础各章的仿真模型，建设虚拟实验室，利用计算机来进行辅助控制系统教学实验。这样既节省了实验设备和资金，又创造出一个适于个体教学、因材施教、启发思维的、灵活机动的学习环境，并能够充分调动学生的积极性。同时进行创新能力和创新思维培养，收到不错的应用效果，值得借鉴和推广。

关键词 教学改革；虚拟仿真技术；控制工程基础；MATLAB；Simulink；LabVIEW

中图分类号：TP391.9 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）16-0038-03

1 前言

控制工程基础相对于机械电子工程有三个特点：概念抽象，与数学联系紧密，实践性强。很多学生往往注重理论学习而轻视实践结果，往往只会纸上谈兵而缺乏工程实践能力。控制工程基础课程是机械大类等专业的专业基础课，与前期所学的高等数学、工程数学、电工学、电路联系紧密，历来存在知识面广、学时少、课程紧、难度较大、理论性强等问题，学生抱怨较多，有控制工程基础“难于上青天”之说。

安阳工学院新的办学思路和培养机制是向应用型本科院校转变。应用型是高等教育发展到一定阶段的必然结果与必然取向，尤其是高等教育大众化和普及化到来时。整个高等教育已从学术型和研究型慢慢过渡到应用型，“用”是应用型的核心，学以致用是其本质，掌握知识与能力是“用”的基础，社会实践是“用”的对象，满足社会需求、推动社会进步，是“用”的目的。

2 控制工程基础课程实践教学存在的不足

以安阳工学院机械工程学院为例，控制工程基础课程实践教学存在以下不足。

1）实验设备明显老化。所用的自动控制原理实验箱购置于2007年，老化严重，实验内容和设备已经远远跟不上社会发展。

2）实验内容老化。学生对于控制参数不知如何调整，在设备面前茫然无措，而且很容易损坏电器电路，不能达到实验目的。

3）验证性实验过多，不能培养学生的实践能力。所使用的实验设备为模拟电路工具箱，学生实验只是连接封装的模型，由示波器观察实验结果。实验内容包含典型环节模拟、二阶系统时间响应、典型环节频率特性以及控制系统分析，这些实验均以验证性为主，延展性不足，無法达到锻炼动手能力的目的，对于学生理解帮助不大。

4）目前高校多采用放录像的形式让学生进行相应的实验学习，学生只能初步了解实验内容。这种实验方式应用在控制工程基础教学中，对培养本科生应用能力和工程实践能力是极为不利的，与国家要求的本科素质培养也有一定的差距。

5）课堂教学是以教师讲课为主的知识传授，方式比较单一。目前控制工程基础课程计划学时设置为54学时（其中6学时为实验），简单以教师授课效果来评价极为不公平。所导致的结果，一方面，学生的学习兴趣大大减弱，影响学生对基本知识的掌握；另一方面，教师讲授过于死板，课堂教授缺乏活力，难以调动学生的积极性。

6）考试基本上以笔试为主，期末考试占80%，平时成绩占20%，略显僵化与片面。对于一门工程背景极强的课程而言，考核方式应该丰富多彩，不能简单以考试结束。

3 基于虚拟仿真技术的控制工程基础课程实践教学改革

结合MATLAB软件进行仿真教学，可以很好地克服传统模拟实验的局限，对于控制工程基础的理论教学有很大的促进作用，对于提高学生的实践能力和创新能力也有一定的帮助作用。

1）引入车辆实例，结合车辆知识，让控制“活”起来，加入MATLAB仿真技术，让课程“动”起来，这样做会提升学生的兴趣。

2）一方面，教学应从机械电子工程领域向无人机、飞行器特色转变，安阳工学院机械工程学院新开飞行器机械工程本科专业，这是一个比较陌生的行业；另一方面，加强综合性控制实验，通过这些实验来改变学生的被动局面，培养联系飞行器实际的独立工作和创新能力。

3）引入问题驱动式翻转课堂教学环节，教师提供与课程相关的实际工程问题，让学生分组进行讨论，指定一名学生主讲讨论结果，其他学生辅助讲解，提交报告。这对学生掌握理论知识和培养解决问题的能力很有好处。

4）尝试考核方式多种多样，考试成绩+团队虚拟实验成绩+个人虚拟实验成绩+习题成绩+课堂讨论成绩。

教学改革已经在实际课堂教学中有所体现，并取得很好的教学效果。这些举措显著提升了学生的积极性，明显改善了课堂氛围，解放了课堂教学对学生思维的束缚。

4 基于多种仿真软件的虚拟仿真技术

基于MATLAB软件的虚拟仿真技术 首先应用MATLAB应用软件进行虚拟仿真（图1、图2、图3），这种方式易扩展、方案灵活，唯一不足的是需要M文件编程。

基于LabVIEW软件的虚拟仿真技术 下面利用LabVIEW仿真软件对转子实验台转动加速度进行仿真（图4、图5）。程序的第一步是完成系统的初始化，在这个步骤中如果程序发生错误，系统就会立刻停止；无误的话，程序会继续运行下去。第二步是设定USBDAQ8设备的采样参数，发送采样命令。需要配置的参数主要有采样长度和采样频率，如果输入错误，就会停止运行，否则程序会一直循环运行下去，除非通过开关按钮才能停止它的运行。

前两个程序运行无误，就会进入获取采样数据程序，程序无误就开始进入对采集到的数据进行分析处理及数据输出环节，否则程序会自动停止运行。另外，在这个总体程序框图上方有个100毫秒的延迟程序。

基于Simulink软件的虚拟仿真技术 已知一单位反馈系统的开环传递函数是：

要求系统的静态速度误差系数Kv≥50 s-1，γ≥40°，wc≥10 rad/s。试应用MATLAB Simulink进行滞后—超前校正。

Simulink是可以用于连续、离散以及混合的线性、非线性控制系统建模、仿真和分析的软件包，并为用户提供了用方框图进行建模的图形接口，很适合于控制系统的仿真。

仿真后得到的结果如图6和图7所示。

由Simulink仿真得到的图形可以看出原系统的阶跃响应并不理想，其响应的速度慢，而且超调量明显过大，因此要将此系统串联滞后—超前校正来改善其性能指标。

5 结束语

采用MATLAB、LabVIEW、Simulink软件分别进行控制工程基础课程在各个领域内仿真，普遍反映虚拟仿真技术的运用激发了学生的兴趣、扩展了教学实例，实践教学效果不错。为此开发基于MATLAB、LabVIEW的虚拟实验平台，方便地满足理论教学的各种要求，而且可以根据需要开发出不同实验。无论内涵还是外延，都大大拓展了传统实验的范畴，既节省了实验资金，又因材施教、启发思维，灵活机动地创造了学习环境，并能够充分调动学生的积极性，培养了创新能力和创新思维，收到不错的应用效果，值得借鉴和推广。

参考文献

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