自動控制原理虛擬實驗系統設計

劉 艷 朱麗娟 陳 杰

摘 要:為解決我院自動控制原理實踐教學中存在的問題,提出基于虛擬儀器的自動控制原理實驗系統設計,用軟件模擬實際硬件的功能,使系統操作方便。既可以節約成本,改善現有的實驗條件,又可以提高自動控制原理實驗教學效果,推動實驗教學的發展。

關鍵詞:虛擬儀器 自動控制 實驗教學

“自動控制原理”是電氣工程專業一門重要的專業基礎課,也是一門理論性較強的課程,但它來源于工程技術,最終目的是回到工程實際中去指導系統設計、調試,具有濃厚的工程背景。因此各個高校對該門課程的實踐教學都很重視,它是一門理論性、實踐性較強的工科專業基礎課,實踐環節對于學生理解與掌握課程中抽象的理論概念起著至關重要的作用。但是隨著高校的擴招,相對于越來越多的學生數來講目前自動控制實驗教學存在一系列問題,例如實驗設備和實驗場地數量有限,實驗設備老化嚴重以及嚴重缺乏實驗指導教師等。針對實踐教學中出現的種種問題,各個高校都在尋求解決的辦法,以虛擬儀器為基礎的虛擬實驗平臺應運而生[1-2]。

我校自2006年為電子信息工程專業02級的學生開設這門課以來,由于種種原因,自控原理實驗還沒有開設,借鑒其他高校的情況,考慮用虛擬實驗系統代替實驗室,用軟件模擬實際硬件的全部功能。希望解決目前自動控制實驗中的一些問題,在一定程度上提高目前“自動控制原理”實踐教學效果。

一、自動控制原理實踐教學的現狀

1.電氣工程及其自動化專業的特點

電氣工程及其自動化專業的特點是: 強弱電結合, 電工技術與電子技術結合, 軟件與硬件結合, 元件與系統結合。專業面寬, 既具有電氣工程方面的專業知識和技能, 又有自動化和信息技術方面的基礎知識和基本技能, 可以使學生得到電工電子、信息控制及計算機技術方面的基本訓練。電氣工程及其自動化專業的培養目標是: 培養在電氣工程、自動化、電力電子技術、監測與自動化儀表、電子與計算機技術應用等領域內能夠從事工程設計、系統分析、系統運行、研制開發等方面的高級工程技術人才[3]。電氣工程及其自動化專業具有非常廣闊的工程實際應用背景和應用前景, 該專業的畢業生必須具備一定的工程實際應用能力。由于目前我國企業和科研單位一般不具備對大學畢業生進行再培訓的條件。所以, 大學應當為學生提供實踐訓練的機會, 使畢業生能夠在某一專業方面具有較強的實際工作能力。因此, 探索新形勢下電氣工程及其自動化專業學生工程應用素質的培養具有重要的現實意義。

2.自動控制原理實踐教學改革

我校物理科學與電子技術學院,從1999年設置電子信息工程專業,一開始學院將專業方向定位于偏弱電方向,開設了一系列的相關課程,建設了多個實驗室;主要有模擬電子線路實驗室、數字電路實驗室、電子設計自動化實驗室、電工實驗室、單片機原理實驗室、通信原理實驗室、信號與系統實驗室、高頻電子線路實驗室、家用電器實驗室、數字信號處理實驗室等十多個實驗室。后來隨著師資力量的加強以及適應市場發展的需要,對原有的專業模式進行改革探索,逐漸形成了以電子信息工程和電氣自動化兩個方向為主的非師范專業。

我校從02級學生開始開設了“自動控制原理”這門電氣工程及自動化專業必修的基礎課,實驗室方面加大投資新建了PLC實驗室、電機控制實驗室、過程控制實驗室等。但是還有一些實驗室未能付與實現。就自動控制原理這門課程來講,各個高校非常強調實驗課程的重要性,但是實驗教學中存在的一些問題也比較突出。高校實驗室常用的自動控制原理實驗儀器主要是模擬實驗裝置,這樣的實驗室成本高,儀器耗損大,重復利用率低,已經遠遠不能適應學科發展。

控制理論學科從深度和廣度都在不斷向前發展,隨著計算機和測試技術的發展,以計算機為核心的測試方式正在沖擊著傳統測試設備,進而影響著現代實驗教學,因此本課程如何及時吸收控制領域的新成果、新技術、擯棄舊的認識,已顯得迫在眉睫。

二、基于虛擬儀器的自動控制實驗系統設計

1.虛擬儀器的特點及組成

虛擬實驗技術是利用軟件和硬件的結合,取代傳統的常規實驗儀器設備,在計算機或計算機網絡上進行模擬、仿真各種實驗的技術。它是虛擬現實技術(VR)。虛擬儀器技術、計算機輔助教學技術(CAI)、多媒體計算機技術(MPC)等發展的結果,廣泛應用于科學和生產領域[4]。

虛擬實驗室最早由美國 Unversity of Virginia 的 William Wolf 教授提出,描述一個計算機網絡化的虛擬實驗室環境[5]。目前,虛擬實驗室在發達國家己十分普及。許多發達國家的高校已經把MATLAB與相關課程進行了整合,為教學帶來了極大的靈活性和便利性。

一個最基本的虛擬儀器程序由3部分組成:人機對話的前面板、作為源代碼的數據流框圖和圖表/連接端口,按功能分為3個部分:信號采集與控制,數據分析處理,測試結果的表達。

2.虛擬儀器程序開發語言

進行虛擬儀器開發,通?？梢圆捎脙煞N編程方法進行軟件編程。一種是傳統的方法,采用高級語言如VC++,VB,Delphi等編寫儀器軟件;另一種是面向儀器和測控過程的圖形化編程方法,如NI公司的LabVIEW, MATLAB,這些語言很適合虛擬實驗平臺的軟件設計,由此開發出來的教學軟件可以設計

成Windows程序風格,使教師和學生更容易操作和應用[6]。LabVIEW建立在易于使用的圖形數據流編程語言——G語言上,簡化了過程控制和測試軟件的開發。但是在對各種算法的支持方面,LabVIEW的工具箱非常有限,這就限制了大型應用程序的快速開發。而MATLAB以強大的科學計算功能、大量穩定可靠的算法庫,為數學計算工具方面事實上的標準[7]。但MATLAB也有不足之處,例如界面開發能力較差,并且數據輸入、網絡通信、硬件控制等方面都比較繁瑣。因此LabVIEW通過ActvieX自動化技術與MATLAB進行混合編程,達到了利用MATLAB優化算法庫的目的。將LabVIEW與MATLAB有機結合,是一條開發智能虛擬儀器的有效途徑。

3.自動控制原理虛擬實驗系統開發

根據自動控制原理實驗教學大綱的要求,自動控制原理虛擬實驗室共設計了十個實驗,內容涉及線性系統時域分析、線性系統的根軌跡、線性系統頻域分析、線性系統串聯校正、離散系統分析和非線性系統分析。從實驗難易層次上可以分為基礎性實驗和設計性實驗,這樣學生可以根據自身學習情況選擇適當的實驗,促進了學生的學習。在LabVIEW上設計的系統前面板如下圖所示。對應的后面板程序通過ActvieX技術與MATLAB進行混合編程,利用MATLAB編程方便的特點完成每個實驗項目。

本實驗系統計劃兩年內完成,所有的實驗可以在計算機上選擇進行,后面系統完善以后同學們可以在網絡上選擇感興趣的實驗項目,并且可以實時地與指導教師交流實驗中遇到的問題。

三、結束語

為適應自動控制原理實踐教學改革的需要,用虛擬實驗系統代替傳統實驗室,用軟件模擬實際硬件的全部功能,節約成本,可以提高目前“自動控制原理”教學效果,加深對所學知識的理解,提高動手能力,鍛煉發現問題、分析問題和解決問題的能力。在新的實驗系統中,學生對實驗的操作更加方便省時,單位學時內所能完成的實驗內容增多了,提高了實驗教學的效率。同時把軟件又是儀器的概念引入到了實驗系統的設計中,而不是單一的程序仿真。實驗室的功能不再單一,可面對更多課程的實驗及課程設計向學生開放,為學生提供更多的實踐及創新機會。

參考文獻

[1]王瑛,蔡勛,王晶.自動控制原理虛擬試驗平臺的設計與應用[J].實驗技術與管理,2004,20(4):52-55

[2]曹建榮,謝秀穎,徐紅東.虛擬儀器技術在自動控制原理實驗中的應用[J].實驗室研究與探索,2004,23(5):38-40

[3]李曉,劉天野.電氣工程及其自動化專業工程應用型人才培養研究[J].中北大學學報,2007,23(1):83-86

[4]陸綺榮.基于虛擬儀器技術個人實驗室的構建[M].北京:電子工業出版社,2006:11-13

[5]鄒湘軍,孫健,何漢武.虛擬現實技術的演變發展與展望[J].系統仿真學報,2004,(9):9-11

[6]裴鋒,楊萬生.LabVIEW與MATLAB混合編程[J].電子技術應用, 2004,(03):4-6

[7]黃忠霖.控制系統MATLAB計算及仿真[M].北京:國防工業出版社,2001:89-93