白 銳 張 健

遼寧工業(yè)大學(xué) 遼寧錦州 121001

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的成果建立被仿真系統(tǒng)的模型，并在某些實(shí)驗(yàn)條件下對模型進(jìn)行動態(tài)實(shí)驗(yàn)的一門綜合性技術(shù)[1]。它具有高效、安全、受環(huán)境條件的約束較少、可方便改變仿真參數(shù)、仿真條件等優(yōu)點(diǎn)，已成為分析、設(shè)計(jì)、運(yùn)行和評價(jià)的重要工具。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)作為信息科學(xué)中的核心技術(shù)之一，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。鑒于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的優(yōu)勢，目前，已經(jīng)逐漸被引入到大學(xué)教學(xué)過程中，并成為一種新穎的教學(xué)手段和方法。

自動化學(xué)科是一門科學(xué)性與工程性并重的學(xué)科，理論性和實(shí)踐性的緊密結(jié)合是該學(xué)科的重要特征[2]。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)在多個高校自動化專業(yè)教學(xué)過程中得到了廣泛的應(yīng)用，但目前還存在一些問題：

(1)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)還沒有深入到自動化專業(yè)教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中，目前僅停留在課堂演示的層面上，手段單一化，因此還難以更好地發(fā)揮計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在專業(yè)教學(xué)中的優(yōu)勢。

(2)目前只是采用單純的計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行教學(xué)，而硬件和軟件相結(jié)合的半實(shí)物仿真技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前國內(nèi)外仿真領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，我們教學(xué)過程中并沒有充分利用計(jì)算機(jī)仿真領(lǐng)域的這一先進(jìn)技術(shù)和理念。

(3)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)雖然已經(jīng)初步應(yīng)用到自動化專業(yè)的教學(xué)過程中，但是還沒有形成完善的規(guī)則制度、評價(jià)體系、應(yīng)用范圍和適用課程等詳細(xì)資料，從而使計(jì)算機(jī)仿真和教學(xué)過程相結(jié)合這一新穎的教學(xué)手段缺乏系統(tǒng)完善的理論依據(jù)、實(shí)施手段和方法路線等，不夠系統(tǒng)化、規(guī)范化和制度化。

為解決上述問題，筆者以自動化專業(yè)教學(xué)為背景，深入細(xì)致地研究計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與自動化專業(yè)教學(xué)相結(jié)合這一新穎有效的教學(xué)方法。研究包括計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在多個教學(xué)過程中深入全面的使用，半實(shí)物仿真等先進(jìn)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在教學(xué)過程中的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)的系統(tǒng)化、規(guī)范化等內(nèi)容。研究將能夠顯著地豐富和完善現(xiàn)有的教學(xué)手段和模式，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，從而為“卓越工程師”培養(yǎng)計(jì)劃提供一種新的思路和方法，可獲得良好的教學(xué)效果。

1 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在自動化教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

1.1 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在課堂授課中的應(yīng)用

對于自動化專業(yè)課程的某些知識內(nèi)容，僅僅依靠板書或者幻燈片等教學(xué)手段并不能夠使學(xué)生透徹真正地理解。利用計(jì)算機(jī)仿真軟件對這些知識內(nèi)容在課堂上進(jìn)行仿真演示，通過改變仿真參數(shù)和仿真條件，獲得不同的仿真結(jié)果，能夠使知識內(nèi)容的傳授更加生動和直觀，從而加深學(xué)生的理解。

因此，首先要全面深入地分析自動化專業(yè)各個課程教學(xué)內(nèi)容、課程性質(zhì)等特點(diǎn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的優(yōu)勢和劣勢，確定出在哪些專業(yè)課程中、哪些知識內(nèi)容中需要引入計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。目前，筆者所在單位針對自動化專業(yè)的一些主要專業(yè)課程，如“交流調(diào)速控制系統(tǒng)”“直流拖動控制系統(tǒng)”“過程控制系統(tǒng)”“集散控制系統(tǒng)”“電力電子技術(shù)”和“電機(jī)拖動”等課程，開發(fā)了多個計(jì)算機(jī)仿真演示軟件，并將這些計(jì)算機(jī)仿真演示軟件應(yīng)用于課堂教學(xué)過程中。

1.2 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在課程實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

目前，多數(shù)課程的實(shí)驗(yàn)手段都是單一的利用實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行。受硬件設(shè)備等限制因素影響，一臺實(shí)驗(yàn)裝置還難以完成多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)不僅可以在一定程度上解決教學(xué)資源限制的問題，更重要的是，在仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以方便地觀察在實(shí)驗(yàn)裝置中難以直接觀測的內(nèi)部參數(shù)變化和動態(tài)波形，通過對仿真曲線分析可以更加深刻、形象地理解各個知識內(nèi)容，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，啟發(fā)學(xué)生的探索性、主動性和創(chuàng)造性。

因此，針對上述主要專業(yè)課程，開發(fā)多個計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)軟件，并作為各個課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，形成以“實(shí)物裝置實(shí)驗(yàn)為主，計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)為輔”的課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系。

1.3 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

結(jié)合相關(guān)專業(yè)課程設(shè)計(jì)的目的及性質(zhì)，設(shè)計(jì)并規(guī)劃出相應(yīng)的、與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合的課程設(shè)計(jì)題目以及課程設(shè)計(jì)內(nèi)容，并應(yīng)用到課程設(shè)計(jì)過程中。目前，筆者所在單位已經(jīng)將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用到某些專業(yè)課程的設(shè)計(jì)中，如“交流調(diào)速控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)”“過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)”“電氣控制與PLC技術(shù)課程設(shè)計(jì)”“電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)”等，引導(dǎo)學(xué)生在課程設(shè)計(jì)中采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對所設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1.4 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

畢業(yè)設(shè)計(jì)是自動化專業(yè)教學(xué)過程中的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)，自動化專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容多數(shù)是針對冶金、化工等工業(yè)過程進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中雖然對控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，但多數(shù)情況下難以將所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場中進(jìn)行驗(yàn)證，因此學(xué)生也不能清晰地知道自己采用的控制方法以及開發(fā)的控制程序是否正確。為解決這一問題，可以將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入到自動化專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，引導(dǎo)學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)中采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對所設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行仿真驗(yàn)證。首先完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)，然后利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對設(shè)計(jì)控制方法和控制程序進(jìn)行仿真驗(yàn)證，從而使學(xué)生能夠更加深刻理解和掌握畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，提高畢業(yè)設(shè)計(jì)的效果。

2 先進(jìn)仿真技術(shù)在教學(xué)過程中的應(yīng)用—工業(yè)控制系統(tǒng)半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計(jì)、開發(fā)及教學(xué)應(yīng)用

與工程實(shí)踐的緊密結(jié)合是自動化專業(yè)的重要特征之一[3]。但受教學(xué)手段和教學(xué)資源的限制，在目前的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)中，學(xué)生很難將自己的設(shè)計(jì)方案以及開發(fā)程序應(yīng)用到實(shí)際的工業(yè)對象中，這樣就導(dǎo)致了學(xué)生難以檢驗(yàn)自己的設(shè)計(jì)效果，從而也難以提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力。雖然計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)在自動化專業(yè)教學(xué)過程中得到了應(yīng)用，但目前的應(yīng)用只局限于使用仿真軟件的層面上，即課堂演示、課程實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容都是使用軟件的方式。

為了解決這一問題，筆者將半實(shí)物仿真(Hardwarein-the-loop-simulation)等先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)引入到自動化專業(yè)教學(xué)過程中。半實(shí)物仿真是將控制器(實(shí)物)與在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的控制對象仿真模型連接在一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的技術(shù)。在這種實(shí)驗(yàn)中，控制器的動態(tài)特性、靜態(tài)特性和非線性因素等都能真實(shí)地反映出來，因此它是一種更接近實(shí)際的仿真試驗(yàn)技術(shù)。

筆者將硬件和軟件結(jié)合，研制出由實(shí)際的PLC控制系統(tǒng)、PC機(jī)和計(jì)算機(jī)仿真軟件所組成的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺。與純粹的仿真軟件相比，該仿真實(shí)驗(yàn)平臺能夠更好地提高教學(xué)效果。半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺利用我校羅克韋爾工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)設(shè)備，主要組成部分包括羅克韋爾的ControlLogix PLC、檢測儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)裝置、工業(yè)過程的模型計(jì)算機(jī)。ControlLogix PLC、檢測儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)裝置均為工業(yè)過程控制中的實(shí)際設(shè)備，工業(yè)過程的模型計(jì)算機(jī)通過運(yùn)行仿真軟件來模擬實(shí)際的工業(yè)過程。采用上述半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生可以將自己的設(shè)計(jì)方案和控制程序在該平臺上進(jìn)行驗(yàn)證，從而能夠提高學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，實(shí)現(xiàn)課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)的教學(xué)目的。

3 結(jié)束語

將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與自動化專業(yè)教學(xué)進(jìn)行緊密的結(jié)合，探討如何將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)更好地應(yīng)用在自動化專業(yè)的教學(xué)過程中。將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)分別應(yīng)用在課堂授課、課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)中，并將先進(jìn)的仿真技術(shù)—半實(shí)物仿真引入到教學(xué)過程中。所研究的內(nèi)容能夠豐富現(xiàn)有的教學(xué)方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

[1]郝培峰,崔建江,肖文棟,計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)[M].沈陽:東北大學(xué)出版社,2003.

[2]戴先中.自動化科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的內(nèi)容、地位與體系[M].北京:高等教育出版社,2003.

[3]劉建昌,徐心和.自動化專業(yè)實(shí)踐教學(xué)重要性剖析[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2005(12):94-95.