濱州學(xué)院自動(dòng)控制研究中心 高聯(lián)學(xué)

濱州技術(shù)學(xué)院 曹洪霞

1.引言

自動(dòng)控制原理課程是自動(dòng)化、電氣工程、電子信息、通信工程等專(zhuān)業(yè)非常重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，具有知識(shí)理論系統(tǒng)性較強(qiáng)，概念抽象，實(shí)踐應(yīng)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。單純的課堂教學(xué)容易造成理論和實(shí)踐脫節(jié)的情況，特別是應(yīng)用型本科院校更應(yīng)重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)。搞好實(shí)驗(yàn)教學(xué)是整個(gè)自動(dòng)控制理論教學(xué)過(guò)程中及其重要的環(huán)節(jié)，可以使學(xué)生更好地理解基礎(chǔ)知識(shí)，更好地實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐的結(jié)合[1]。但是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)法受實(shí)驗(yàn)條件、儀器設(shè)備條件及一些人為因素的限制，往往得不到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。

Matlab仿真教學(xué)法雖能夠彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)法的不足，但受程序編寫(xiě)的限制，部分同學(xué)的實(shí)驗(yàn)效果并不理想。基于Multisim的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)法可以彌補(bǔ)上述兩種實(shí)驗(yàn)教學(xué)法的不足，極大地提高了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性。

2.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)方法

我校電氣工程與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)采用的是labACT自動(dòng)控制/計(jì)算機(jī)控制原理實(shí)驗(yàn)箱。下面簡(jiǎn)單介紹一下該實(shí)驗(yàn)箱的構(gòu)成及實(shí)驗(yàn)箱的主要功能。

2.1 實(shí)驗(yàn)箱的組成

labACT自動(dòng)控制/計(jì)算機(jī)控制原理實(shí)驗(yàn)箱由以下七個(gè)模塊組成：(1)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)?zāi)K；(2)計(jì)算機(jī)控制原理實(shí)驗(yàn)?zāi)K；(3)信號(hào)源模塊；(4)控制對(duì)象模塊；(5)虛擬示波器模塊；(6)控制對(duì)象輸入顯示模塊；(7)CPU控制模塊。

自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)?zāi)K由模擬運(yùn)算單元及模擬運(yùn)算擴(kuò)充庫(kù)組成，這些模擬運(yùn)算單元的輸入回路和反饋回路上配有多個(gè)各種參數(shù)的電阻、電容，因此可以完成各種自動(dòng)控制模擬運(yùn)算。例如構(gòu)成比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、比例微分環(huán)節(jié)，PID環(huán)節(jié)和典型的二階、三階系統(tǒng)等。利用本實(shí)驗(yàn)機(jī)所提供的多種信號(hào)源輸入到模擬運(yùn)算單元中去，再使用本實(shí)驗(yàn)機(jī)提供的虛擬示波器界面可觀(guān)察和分析各種自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)控制原理實(shí)驗(yàn)的響應(yīng)曲線(xiàn)，如圖1所示。

圖1 各模塊相互交聯(lián)關(guān)系框圖

2.2 實(shí)驗(yàn)箱的主要功能

(1)顯示與功能選擇模塊及函數(shù)發(fā)生器：由5位8段數(shù)碼管、16個(gè)指示燈、四個(gè)功能選擇按鍵和3個(gè)測(cè)試孔組成。該實(shí)驗(yàn)區(qū)是獨(dú)立于實(shí)驗(yàn)機(jī)的CPU控制模塊，提供控制對(duì)象輸出顯示，並實(shí)現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器的十種(可選擇)波形輸出切換控制和顯示。函數(shù)發(fā)生器是各函數(shù)及波形發(fā)生的控制和輸出模塊，它含有十種(可選擇)波形輸出，有4個(gè)函數(shù)波形調(diào)節(jié)電位器、1個(gè)波形量程選擇開(kāi)關(guān)和各函數(shù)發(fā)生的輸出口組成。各波形和函數(shù)的輸出選擇在模塊中選擇設(shè)置。

(2)數(shù)模轉(zhuǎn)換器：采用ADC0832作為數(shù)/模轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)8bit數(shù)字輸入轉(zhuǎn)換為模擬量。數(shù)字0～0FFH輸入，經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后輸出測(cè)孔1輸出為0～+5V模擬量。經(jīng)運(yùn)放處理后，在輸出測(cè)孔2輸出為-5V～+5V。

(3)虛擬示波器：該虛擬示波器提供兩通道模擬信號(hào)輸入測(cè)孔，配合上位機(jī)軟件的示波器窗口，可以實(shí)現(xiàn)波形的顯示、存儲(chǔ)，可以有效的觀(guān)察實(shí)驗(yàn)中各點(diǎn)信號(hào)的波形。虛擬示波器每個(gè)輸入通道都配有量程開(kāi)關(guān)，當(dāng)量程開(kāi)關(guān)撥到×1位置，表示輸入不衰減，輸入范圍-5V～+5V，如果超出此范圍，應(yīng)把量程開(kāi)關(guān)撥到×5位置，此時(shí)輸入信號(hào)將被衰減5倍。

(4)模數(shù)轉(zhuǎn)換器：機(jī)采用DAC0809作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)8bit數(shù)字輸出。

(5)定時(shí)器、中斷單元：本單元提供CPU控制模塊中的定時(shí)器8253的計(jì)數(shù)器1、計(jì)數(shù)器2測(cè)孔；8259中斷控制器測(cè)孔。

這種實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)法的特點(diǎn)是直觀(guān)、簡(jiǎn)單，能夠提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力。但是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)生只要按照實(shí)驗(yàn)教材上的步驟，一步步的去做，就能順利的完成數(shù)據(jù)的測(cè)試和波形的輸出。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式在很大程度上限制了學(xué)生的思維創(chuàng)新能力和創(chuàng)造力，限制了學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的積極主動(dòng)性，也不利于學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)[2]。

3.Matlab仿真教學(xué)法

Matlab作為實(shí)驗(yàn)仿真常用軟件之一，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)時(shí)能夠有效的彌補(bǔ)某些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱的不足，充分利用其圖形用戶(hù)界面設(shè)計(jì)技術(shù)強(qiáng)的仿真功能完成原來(lái)在實(shí)驗(yàn)箱上所要完成的實(shí)驗(yàn)，不僅可以將抽象的理論知識(shí)運(yùn)用文字、圖形、數(shù)據(jù)等多種形式展示出來(lái)，更為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一個(gè)操作簡(jiǎn)便、界面友好的仿真環(huán)境。Matlab是一種面向?qū)ο蟮慕换ナ匠绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言，具有友好的用戶(hù)界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語(yǔ)言、高效的數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能、完備的圖形處理功能以及功能豐富的應(yīng)用工具箱等特點(diǎn)。在利用其進(jìn)行工程計(jì)算和系統(tǒng)仿真時(shí)，可以略去復(fù)雜的理論推導(dǎo)過(guò)程，使得編程更加快捷方便，易于實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)界面內(nèi)，學(xué)生可以根據(jù)提示完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程[3]。

這種實(shí)驗(yàn)方法主要是根據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行編程、仿真，能夠?qū)?shí)驗(yàn)箱所得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。但是對(duì)于那些數(shù)學(xué)建模不擅長(zhǎng)，編程能力不夠的同學(xué)來(lái)說(shuō)這種實(shí)驗(yàn)方法存在一定的難度。

4.基于Multisim的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)法

4.1 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)法的特點(diǎn)

使未做過(guò)實(shí)驗(yàn)的學(xué)生通過(guò)仿真軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)的整體環(huán)境、所用儀器的整體結(jié)構(gòu)能建立起直觀(guān)的認(rèn)識(shí)。儀器的任何部位可拆卸，可解剖進(jìn)行調(diào)整并實(shí)時(shí)觀(guān)察儀器的各種指標(biāo)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的動(dòng)作，增強(qiáng)了熟悉儀器功能和使用方法的訓(xùn)練。在實(shí)驗(yàn)中儀器實(shí)現(xiàn)了模塊化，學(xué)生可對(duì)提供的儀器進(jìn)行選擇和組合，用不同的方法完成同一實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思考能力和對(duì)不同實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)劣、誤差大小的比較、判斷能力。軟件能通過(guò)深入解剖教學(xué)過(guò)程，設(shè)計(jì)上充分體現(xiàn)教學(xué)思想的指導(dǎo)，使學(xué)生必須在理解的基礎(chǔ)上認(rèn)真思考才能正確操作，克服了實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的盲目操作和實(shí)驗(yàn)“走過(guò)場(chǎng)”現(xiàn)象的缺點(diǎn)，使學(xué)生切實(shí)受益，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平。

4.2 虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)法實(shí)現(xiàn)形式

基于Multisim的自動(dòng)控制虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于Internet上的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，并實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)控制分布式遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)”的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)報(bào)告管理，具有一定的規(guī)模和水準(zhǔn)，該軟件通過(guò)計(jì)算機(jī)把實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教學(xué)內(nèi)容、教師指導(dǎo)和學(xué)生的操作有機(jī)地融合為一體，形成了一部活的、可操作的自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)教科書(shū)。通過(guò)虛擬仿真自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，加深了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的物理思想和方法、儀器的結(jié)構(gòu)及原理的理解，達(dá)到實(shí)際實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的效果，實(shí)現(xiàn)了培養(yǎng)動(dòng)手能力，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)技能，深化理論知識(shí)的目的，同時(shí)增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)的興趣，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的有力工具，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的模擬。

實(shí)驗(yàn)中待測(cè)的控制變量隨機(jī)產(chǎn)生，以適應(yīng)同時(shí)實(shí)驗(yàn)的不同學(xué)生和同一學(xué)生的不同次操作有不同的正確結(jié)果。對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差也進(jìn)行了模擬，以評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)質(zhì)量的優(yōu)劣。對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理，可以存儲(chǔ)、評(píng)閱、查看和打印。

用Multisim進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程非常接近實(shí)際操作的效果。各元器件選擇范圍廣，參數(shù)修改方便，不會(huì)象實(shí)際操作那樣多次地把元件焊下而損壞器件和印刷電路板。使電路調(diào)試變得快捷方便。對(duì)《自動(dòng)控制原理》課程中的絕大部分電路都能應(yīng)用，不僅能用于對(duì)單個(gè)電路特性和原理進(jìn)行驗(yàn)證，也能就用于復(fù)雜的組合電路。

在虛擬實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，可以避免真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作所帶來(lái)的各種危險(xiǎn).以往對(duì)于危險(xiǎn)的或?qū)θ梭w健康有危害的實(shí)驗(yàn)，一般采用看電視錄象的方式來(lái)取代做實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)者無(wú)法直接參與實(shí)驗(yàn)，獲得感性認(rèn)識(shí)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)做實(shí)驗(yàn)則可以免除這種顧慮。學(xué)習(xí)者在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，可以放心的去做各種危險(xiǎn)或危害人體的實(shí)驗(yàn)。

5.結(jié)論

本文分析了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱教學(xué)法、Matlab仿真教學(xué)法和基于Multisim的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)法的優(yōu)缺點(diǎn)。在自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用Multisim進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，可為教學(xué)提供極大地方便，可省去用實(shí)際元器件安裝、調(diào)試電路的過(guò)程，同時(shí)還能夠啟發(fā)學(xué)生從驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)思維逐步轉(zhuǎn)向電路分析、故障排除和電路設(shè)計(jì)等方面過(guò)渡，這對(duì)于學(xué)生今后的發(fā)展非常有用[4]。

[1]張棟.自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2011,14(5)：37-40.

[2]柳明,王海軍,郭慶葉.自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2012,15(4)：58-60.

[3]盛立,高明.“自動(dòng)控制原理”課程建設(shè)與改革的新思路[J].濱州學(xué)院學(xué)報(bào),2012,28(3)：112-115.

[4]唐成祥.Multisim 11仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)在電子線(xiàn)路課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].廣西教育,2012(9)：185-186.