【摘要】基于綜合提升學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，以?shí)驗(yàn)資源文檔、仿真實(shí)驗(yàn)、模擬型實(shí)物實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的方式構(gòu)建了基于LabVIEW的自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過資源學(xué)習(xí)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)與探索學(xué)習(xí)等模式要求，為學(xué)生的思維與動(dòng)手能力的培養(yǎng)提供教學(xué)思路與參考。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)控制理論;LabVIEW;實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

【中圖分類號(hào)】G420 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【論文編號(hào)】1009—8097(2010)08—0139—04

一 引言

高等教育的質(zhì)量與國家現(xiàn)代化建設(shè)密切相關(guān)，其中良好的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)于人才的培養(yǎng)有著直接的影響?！蹲詣?dòng)控制理論》課程作為電氣、自動(dòng)化專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是聯(lián)系前期基礎(chǔ)課和后續(xù)專業(yè)課的橋梁。如何借助于實(shí)驗(yàn)課的輔助教學(xué)，生動(dòng)、形象地幫助學(xué)生理解基本概念、建立理論與實(shí)際相結(jié)合的觀點(diǎn)、培養(yǎng)大學(xué)生的初步工程實(shí)踐能力，符合高校培養(yǎng)具有創(chuàng)新實(shí)踐能力的高素質(zhì)人才的需要。

LabVIEW是由美國國家儀器(NI)公司推出的一種使用基于圖形化編程方式的虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境。具有直觀易學(xué)、編程效率高，與Internet方便鏈接等特點(diǎn)。通過改變、增減系統(tǒng)的功能、可方便地?cái)U(kuò)充系統(tǒng)的復(fù)雜性，能為各層次學(xué)生提供廣闊的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐空間。為此，建立基于LabVIEW的自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展設(shè)計(jì)性、綜合性較強(qiáng)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，不僅有利于通過直觀形象的實(shí)驗(yàn)圖形與結(jié)果激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且對(duì)于全面提升學(xué)生動(dòng)手構(gòu)建物理系統(tǒng)和軟硬件調(diào)試的綜合能力具有重要意義[1-2]。

二 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

近年來基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，作為一種工程、教學(xué)輔助工具，在簡化問題、節(jié)約成本、縮短調(diào)試周期等方面特點(diǎn)突出，有利于發(fā)展學(xué)生借助計(jì)算機(jī)解決問題的能力。傳統(tǒng)實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)，由于外部條件變化對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及信息的影響不同[3]，則對(duì)于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、通過理論聯(lián)系實(shí)際綜合解決問題能力的培養(yǎng)具有不可替代的作用。目前，遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)的開展也逐步獲得關(guān)注重視。基于以上分析，所設(shè)計(jì)的LabVIEW自動(dòng)控制理論綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以融合以上三種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降膬?yōu)點(diǎn)，力圖通過交替互補(bǔ)，以不同的實(shí)驗(yàn)要求，通過設(shè)立資源學(xué)習(xí)、任務(wù)驅(qū)動(dòng)與探索學(xué)習(xí)這三類學(xué)習(xí)模式，全方位提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)理論與技能。

1 仿真實(shí)驗(yàn)

LabVIEW在數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制等應(yīng)用領(lǐng)域提供了一個(gè)功能強(qiáng)大、方便靈活的虛擬儀器的集成開發(fā)環(huán)境。降低了環(huán)境干擾和系統(tǒng)誤差對(duì)測量結(jié)果的影響，改善了以往費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的實(shí)驗(yàn)過程，便于學(xué)生集中精力對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

以非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)法為例，圖2為非線性系統(tǒng)框圖，其中線性部分的頻率特性函數(shù)為 ，非線性部分的算子以 表示。如何求取非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)并進(jìn)行分析，由于其獨(dú)特的復(fù)雜性與抽象性，一直是自動(dòng)控制理論教學(xué)的難點(diǎn)，理論計(jì)算繁瑣，實(shí)驗(yàn)研究費(fèi)時(shí)。

為此，采用基于圖形化的計(jì)算機(jī)仿真的方法通過對(duì)非線性、線性環(huán)節(jié)的類型、參數(shù)進(jìn)行選擇，而后設(shè)定分析的頻率范圍、初值、步長、循環(huán)次數(shù)等，可有效避免繁復(fù)的頻率調(diào)整、計(jì)數(shù)、描點(diǎn)等工作，迅速獲取系統(tǒng)的幅相特性曲線。友好的仿真實(shí)驗(yàn)界面如圖3所示。

設(shè)定線性區(qū)寬度 ，飽和特性信號(hào)限幅 后，輸入到實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的如圖3所示的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)界面，運(yùn)行后，即可獲取如圖4所示的對(duì)應(yīng)的幅相特性曲線圖。

這樣，利用仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以靈活設(shè)定仿真條件，方便、省時(shí)地實(shí)現(xiàn)對(duì)各種非線性環(huán)節(jié)描述函數(shù)的求取與直觀分析，達(dá)到了對(duì)抽象的非線性理論概念進(jìn)行直觀理解的目的。這部分內(nèi)容，設(shè)定了2學(xué)時(shí)由教師講解LabVIEW的基礎(chǔ)知識(shí)，安排4學(xué)時(shí)課后時(shí)間用于相關(guān)資源學(xué)習(xí)。

2 模擬型實(shí)物實(shí)驗(yàn)

NI公司提供的ELVIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將DAQ硬件和LabVIEW軟件組合成的一個(gè)定制靈活的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過DAQ捕獲實(shí)際系統(tǒng)中真實(shí)的物理信號(hào)，并輸入到計(jì)算機(jī)中，而后利用LabVIEW編制相應(yīng)的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測、記錄、顯示及分析，可以簡化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取及后續(xù)數(shù)據(jù)處理等過程。

目前本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)針對(duì)實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)立了演示實(shí)驗(yàn)[4]和學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)兩部分。演示實(shí)驗(yàn)包括RC電路暫態(tài)電壓變化實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)采集及濾波處理實(shí)驗(yàn)以及直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測控實(shí)驗(yàn)。通過演示實(shí)驗(yàn)的展示與講解，以幫助學(xué)生逐步掌握NI ELVIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用與開發(fā)流程、技巧，為后續(xù)進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究奠定基礎(chǔ)。而后，結(jié)合基于LabVIEW編程后提供的內(nèi)置函數(shù)發(fā)生器和示波器等檢測分析儀表，配合ELVIS提供的實(shí)驗(yàn)面包板，要求學(xué)生獨(dú)立在實(shí)驗(yàn)板上通過模擬運(yùn)放電路的搭建，完成二階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)、典型環(huán)節(jié)頻率特性、系統(tǒng)串聯(lián)校正等實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn)，并與理論分析值進(jìn)行比較、分析。此處設(shè)定為任務(wù)驅(qū)動(dòng)型學(xué)習(xí)方式，課內(nèi)保留4學(xué)時(shí)用于提問、測試、成績?cè)u(píng)定。

如圖5所示，為求取典型積分環(huán)節(jié)頻率特性而構(gòu)建的模擬實(shí)驗(yàn)電路。

圖5中運(yùn)算放大器采用op07，輸入正弦信號(hào) ，其幅值 及頻率 可調(diào)。當(dāng)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)幅值 過大時(shí)，系統(tǒng)可能進(jìn)入運(yùn)算放大器的飽和非線性特性工作區(qū)域，系統(tǒng)輸出 信號(hào)則會(huì)輸出周期畸變信號(hào); 當(dāng)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)幅值 過小， 靜電感應(yīng)電壓對(duì)系統(tǒng)輸出 信號(hào)的疊加影響不可忽略， 會(huì)影響輸出 信號(hào)測試的準(zhǔn)確度(此處，可引導(dǎo)學(xué)生對(duì)信號(hào)處理方法進(jìn)行思索、研究)。僅當(dāng)調(diào)節(jié)正弦信號(hào)幅值 處于適當(dāng)范圍內(nèi)，輸出 才可清晰獲取同頻率的正弦信號(hào)。針對(duì)這一現(xiàn)象，與1節(jié)中虛擬仿真實(shí)驗(yàn)積分環(huán)節(jié)頻率特性的求取方法進(jìn)行對(duì)比，提出問題1:仿真實(shí)驗(yàn)與模擬型實(shí)物實(shí)驗(yàn)的區(qū)別與聯(lián)系?問題2:確定一個(gè)環(huán)節(jié)是線性還是非線性的原則是什么?問題3:理論與實(shí)踐的相互作用關(guān)系在科學(xué)研究中是怎樣的?以此建立新舊知識(shí)的聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生的自主發(fā)現(xiàn)與探究意識(shí)，引發(fā)其解決問題的興趣，鼓勵(lì)其進(jìn)行協(xié)作交流，進(jìn)而形成自己對(duì)問題的獨(dú)立見解，綜合實(shí)踐能力得到提高。

最后，考慮部分能力較強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)需求及后續(xù)課程設(shè)計(jì)的需要，選購了8套球桿(ball balancer)系統(tǒng)作為被控對(duì)象。采用LabVIEW編制軟件算法， 通過驅(qū)動(dòng)程序控制伺服電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速與位置調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)此非線性、不穩(wěn)定系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行控制。這部分實(shí)驗(yàn)的設(shè)立為探索學(xué)習(xí)模式階段，通過介紹難點(diǎn)的方式，引導(dǎo)學(xué)生深入思索、學(xué)習(xí)、探索前沿的控制方法。

3 遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)

基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室可以最大限度地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)資源的共享[5]，因此本綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也包含了這部分內(nèi)容。遠(yuǎn)程虛擬儀器能從與Internet/Intranet相連的遠(yuǎn)端獲得動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)或?qū)⒖刂菩盘?hào)傳送到遠(yuǎn)端，使在本地PC機(jī)上監(jiān)控遠(yuǎn)端成為可能。遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)不僅提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，而且方便學(xué)生靈活安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間，強(qiáng)化了學(xué)生的主體作用，同時(shí)有利于教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程的管理，實(shí)現(xiàn)了利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行資源交互學(xué)習(xí)等目的。

利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室具有易于開發(fā)，投資少，擴(kuò)充方便等特點(diǎn)。在LabVIEW 開發(fā)環(huán)境中，有多種方式可以方便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集和儀器控制，主要有:基于NI公司的遠(yuǎn)程設(shè)備訪問(remote device access， RDA)技術(shù)，可通過分別配置RDA Server和RDA Client實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的共享采集設(shè)備數(shù)據(jù);功能強(qiáng)大、但開發(fā)將對(duì)較復(fù)雜的適用于較大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的DataSocket數(shù)據(jù)共享技術(shù);簡便、易學(xué)的基于WEB Publish的遠(yuǎn)程前面板(Remote Front Panels)技術(shù)。

考慮實(shí)驗(yàn)規(guī)模不大及時(shí)間限制等因素，本實(shí)驗(yàn)室選用了基于WEB Publish的遠(yuǎn)程前面板(Remote Front Panels)技術(shù)，構(gòu)建B/S模式遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。遠(yuǎn)程前面板技術(shù)是把一個(gè)VI的前面板直接嵌入到Web網(wǎng)頁中，并具有自動(dòng)更新功能。此外，通過授權(quán)，不僅可以使得客戶端能觀測到一個(gè)動(dòng)態(tài)刷新的實(shí)時(shí)畫面，而且還可以對(duì)前面板進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

考慮到一臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備在某一確定時(shí)間段內(nèi)只可以由一個(gè)用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)控制，因此，需要設(shè)定教師管理員進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)約管理。學(xué)生通過客戶端注冊(cè)登錄后，在預(yù)定時(shí)間內(nèi)享有對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)指定編號(hào)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制權(quán)限。后續(xù)計(jì)劃針對(duì)大四學(xué)生和研究生采用大作業(yè)形式，征集優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)預(yù)約管理方案，取消人員管理，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、高效的自動(dòng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)預(yù)約、監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)記錄等管理功能。

三 結(jié)束語

基于LabVIEW技術(shù)開發(fā)的自動(dòng)控制理論綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過設(shè)定仿真實(shí)驗(yàn)、真實(shí)模擬實(shí)驗(yàn)和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)互相結(jié)合與補(bǔ)充，不僅提供了豐富的計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源，而且注重實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的智能化與真實(shí)性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的簡易性、綜合性和靈活性。通過關(guān)注實(shí)驗(yàn)過程，改變了傳統(tǒng)教師講授的單一模式，不僅便于學(xué)生形象理解和掌握與課程相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生的編程能力與動(dòng)手能力的提升，而且使其自信心獲得提升。這些都將助力學(xué)生從理論學(xué)習(xí)向?qū)嵺`研究進(jìn)行跨越式轉(zhuǎn)變，為探索培養(yǎng)具有創(chuàng)造力與創(chuàng)新性的當(dāng)代大學(xué)生教育進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)積累。

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