張秀玲等

摘要：以三級倒立擺控制系統(tǒng)為研究對象，在LabVIEW平臺結(jié)合MATLAB設(shè)計了自動控制虛擬實驗系統(tǒng)并應(yīng)用于“自動控制理論”的教學(xué)，使學(xué)生能直觀的領(lǐng)會和理解自動控制原理課程的主要內(nèi)容，對調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性以及提高學(xué)生的實驗興趣都有積極促進作用；為進一步拓展學(xué)生的科學(xué)研究能力，在課堂教學(xué)中引入“教學(xué)學(xué)術(shù)”理念，將教學(xué)任務(wù)視為科研任務(wù)，基于該理念開發(fā)設(shè)計了三級倒立擺控制系統(tǒng)，采用基于虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗儀器，減少了硬件設(shè)備需求，降低了實驗系統(tǒng)的成本，整個過程促進了“教學(xué)學(xué)術(shù)” 理念在高等教育的普及推廣，為提高素質(zhì)教育做了有益嘗試。

關(guān)鍵詞：教學(xué)學(xué)術(shù)；MATLAB；LabVIEW；虛擬實驗；倒立擺

中圖分類號：G640文獻標識碼：A文章編號：10054634（2015）05003505

0引言

LabVIEW是美國國家儀器公司開發(fā)的一種圖形化編程語言，采用圖標來創(chuàng)建程序代碼、數(shù)據(jù)流向用連線表示，是實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)仿真、通用編程、測量、數(shù)據(jù)分析等的理想語言。LabVIEW程序是由一個或者多個虛擬儀器（VirtualInstrument，Ⅵ）組成，Ⅵ的外觀和操作通常是模擬了實際的物理儀器，每個Ⅵ都包括了前面板、程序框圖和圖標三部分。前面板是Ⅵ的圖形化用戶界面，是進行人機交互的窗口，模擬了物理儀器的控制面板，其包含旋鈕、開關(guān)、按鈕、圖形、指示燈等圖標，如圖1所示。程序框圖是定義Ⅵ功能的圖形化源代碼，由G語言的端口、圖框、節(jié)點和連線構(gòu)成，是實際可執(zhí)行的程序，框圖是由低級Ⅵ、常量、內(nèi)置函數(shù)及程序執(zhí)行控制結(jié)構(gòu)組成，用連線來表示程序執(zhí)行過程中各對象之間的數(shù)據(jù)流并定義數(shù)據(jù)流向，用端口來實現(xiàn)與前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，用節(jié)點來實現(xiàn)函數(shù)的功能調(diào)用，用圖框來實現(xiàn)程序控制命令的結(jié)構(gòu)化，如圖2所示。

“自動控制理論”是自動化專業(yè)很重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，教學(xué)目的是通過系統(tǒng)學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握自動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計基本方法，為設(shè)計和分析調(diào)試復(fù)雜工業(yè)自動控制系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ)。自動控制理論實驗教學(xué)是檢驗與驗證理論教學(xué)的必要環(huán)節(jié)，通過實驗操作訓(xùn)練，學(xué)生可以加深對所學(xué)書本知識的理解，提高動手能力，鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決工程實踐問題的能力。隨著高等教育大眾化，目前存在實驗設(shè)備和實驗場地有限，實驗設(shè)備老化以及實驗指導(dǎo)師資不足等問題，為解決教學(xué)資源不足問題，基于MATLAB的虛擬實驗系統(tǒng)開發(fā)，用軟件仿真模擬了實際硬件的全部功能。雖然解決了目前自動控制實驗中的一些問題，并在一定程度上提高了目前“自動控制理論”教學(xué)效果。但是，MATLAB的界面開發(fā)能力較差，無法實現(xiàn)與硬件的直接聯(lián)系，這些虛擬實驗系統(tǒng)僅限于軟件模擬，不能鍛煉學(xué)生的動手能力和硬件調(diào)試能力。隨著虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)和計算機技術(shù)的發(fā)展，采用基于NI公司開發(fā)出的LabVIEW設(shè)計虛擬實驗系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡，就能夠?qū)崿F(xiàn)既可以在課堂上進行模擬實驗，又能結(jié)合硬件電路設(shè)備進行硬件實驗的綜合實驗設(shè)計，可以顯著提高教學(xué)效果和實驗效果，但LabVIEW 在控制算法實現(xiàn)方面較薄弱，限制了應(yīng)用程序的快速開發(fā)。

鑒于LabVIEW和MATLAB的特點和自動控制理論實驗的教學(xué)現(xiàn)狀1，[WW）]2：，有必要將二者有機結(jié)合，采用LabVIEW 和MATLAB相結(jié)合的方法，實現(xiàn)自動控制虛擬實驗系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計。

1控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1驗證性實驗系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計涉及的用戶管理程序由三部分組成：登錄系統(tǒng)、主程序和輸出結(jié)果。

主程序是設(shè)計關(guān)鍵，包含所有常規(guī)自動控制理論虛擬實驗的程序，其程序框圖如圖3所示。主界面如圖4所示。通過驗證性實驗系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試，可以讓學(xué)生深刻體會常規(guī)實驗需要實驗裝置和各種元件的選擇與人工進行的元件線路連接，自動化程度低，不利于參數(shù)調(diào)整，通過這種軟件虛擬實驗系統(tǒng)的設(shè)計，學(xué)生從感性上深深體會到了其靈活性和先進性，為今后深入應(yīng)用學(xué)習(xí)專業(yè)課奠定了現(xiàn)代仿真技術(shù)基礎(chǔ)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和開發(fā)新系統(tǒng)的興趣。

1.2可視化系統(tǒng)設(shè)計原理

三級倒立擺可視化三維仿真是在LabVIEW環(huán)境下，通過LabVIEW和MATLAB的混合編程來實現(xiàn)的。MATLAB具有強大的計算、繪圖和數(shù)據(jù)處理等功能，它含有非常豐富的工具箱，廣泛應(yīng)用在數(shù)值分析、圖像處理、動態(tài)系統(tǒng)仿真、信號處理、自動控制等領(lǐng)域，但是MATLAB在用戶界面開發(fā)方面的功能遠不如LabVIEW，而將二者結(jié)合起來進行混合編程，可以充分發(fā)揮利用兩種應(yīng)用軟件的優(yōu)點。

LabVIEW與MATLAB混合編程的方法有很多種，本設(shè)計采用通過LabVIEW的MatlabScript節(jié)點設(shè)計MATLAB程序代碼，該節(jié)點可以直接在LabVIEW環(huán)境下運行編好的MATLAB程序，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢。

1.3引入“教學(xué)學(xué)術(shù)”理念

傳統(tǒng)觀念中，大學(xué)教學(xué)似乎是一種簡單的知識傳遞過程，重于照本宣科式的講述而忽視了與學(xué)生的互動交流。能否將“教學(xué)學(xué)術(shù)”理念引入教學(xué)，讓教師將課堂教學(xué)當(dāng)做科研工作進行呢？能否象做科研一樣做教學(xué)工作呢？筆者做了有意的嘗試，即在控制理論開課的第一節(jié)課上，首先從宏觀角度讓學(xué)生知道這門課程在本專業(yè)的地位和作用，讓學(xué)生明確為什么要學(xué)？怎么學(xué)？最后要達到一個什么目標？具有何種工程實踐能力？然后在授課過程中將一個非常有趣的倒立擺裝置先介紹給學(xué)生，讓他們意識到這是一個在復(fù)雜機器人、宇航裝置中普遍存在的裝置，該裝置衡不穩(wěn)定，通過控制理論這門課的學(xué)習(xí)，只要能利用所學(xué)知識設(shè)計一個倒立擺控制系統(tǒng)實現(xiàn)其穩(wěn)定控制，就達到了這門課的學(xué)術(shù)要求。這樣學(xué)生將在老師指導(dǎo)下分階段完成系統(tǒng)建模、穩(wěn)定性分析及整個控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真調(diào)試，真正體驗到了理論指導(dǎo)實踐的過程，當(dāng)“教學(xué)”成為“學(xué)術(shù)”，成為解決實際問題的途徑，老師有教學(xué)成就感，學(xué)生也體驗到通過學(xué)習(xí)而解決實際問題的樂趣，調(diào)動學(xué)生的求知欲和參與科研的快樂，教學(xué)從傳統(tǒng)簡單的知識傳遞轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€具有豐富內(nèi)涵和無限探究空間的學(xué)術(shù)領(lǐng)域。

1.4三級倒立擺控制系統(tǒng)開發(fā)

1） 三級倒立擺的三維場景建立。三級倒立擺的三維模型是采用虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）技術(shù)建立的，首先采用SolidWorks制作好不包括擺桿的倒立擺三維模型，文件格式為VRML（Virtual Reality Modeling Language），然后利用LabVIEW 8.6 自帶的三維控件工具箱將此VRML文件導(dǎo)入，如圖5所示。再在這個三維模型基礎(chǔ)上添加擺桿，進一步完善豐富三級倒立擺虛擬場景，如圖6所示。

2） 三級倒立擺控制系統(tǒng)的可視化仿真系統(tǒng)設(shè)計。利用LabVIEW中子Ⅵ的相關(guān)知識，可以將倒立擺控制的可視化設(shè)計為一個整體的系統(tǒng)，系統(tǒng)中高一級的Ⅵ可以調(diào)用低一級的子Ⅵ，這樣可以在一個整體的主界面中任意打開具有某一功能的子Ⅵ并運行，方便用戶使用，設(shè)計脈絡(luò)清晰，界面簡單美觀。為配合創(chuàng)新實踐教學(xué)，提高學(xué)生的科學(xué)研究與研發(fā)能力，設(shè)計了倒立擺虛擬實驗系統(tǒng)，主界面如圖7所示，控制效果動畫如圖8所示。限于篇幅詳細設(shè)計過程請參見作者發(fā)表的學(xué)術(shù)論文。在此只是通過設(shè)計的結(jié)果強調(diào)“教學(xué)學(xué)術(shù)”理念的含義，既學(xué)以致用，理論可以指導(dǎo)實踐的新型教改思想，而不再是以簡單傳授為目的，像科學(xué)研究那樣做教學(xué)工作。

由圖8可知，可視化仿真中不僅可以看到可視化的虛擬模型，還可以對對象進行操作控制，比起僅有仿真曲線圖的環(huán)境，倒立擺三維可視化仿真提供了一個較為逼真的三維視圖，并且可以多方向多角度地觀察控制過程中擺桿的擺動以及小車受控制器控制的整個移動過程。

2知識點總結(jié)

設(shè)計任務(wù)的完成與所學(xué)的自動控制理論內(nèi)容的關(guān)系如下。倒立擺建模利用自動控制理論第2章“控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型”完成；倒立擺裝置的性能分析用第3章的時域法、第4章的復(fù)域法和第5章的頻域法均可完成；控制器設(shè)計可以利用第6章的校正法實現(xiàn)；設(shè)計過程的調(diào)試除了理論分析還要利用計算機仿真技術(shù)，通過設(shè)計與分析學(xué)生也體會到了計算機輔助設(shè)計的重要性，拓展了MATLAB與LabVIEW的應(yīng)用。看到師生共同努力設(shè)計的系統(tǒng)，學(xué)生學(xué)到了知識、歷練了科研能力；老師傳播了知識，收獲了希望，提高了工作熱情。

3結(jié)束語

在大學(xué)教學(xué)中引入“教學(xué)學(xué)術(shù)”理念，將專業(yè)課的教學(xué)過程當(dāng)做科研任務(wù)完成，教師能充分激發(fā)其學(xué)術(shù)進取意識，促進領(lǐng)域前沿知識的自我學(xué)習(xí)與傳播，引領(lǐng)學(xué)生學(xué)以致用，掌握運用理論解決實際問題的能力；學(xué)生可以讓其從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換為主動學(xué)習(xí)，帶著科研任務(wù)去學(xué)習(xí)會很自覺地以解決科學(xué)問題為目標去搜集資料、團結(jié)合作、學(xué)以致用。從高等教育大環(huán)境看，這種教學(xué)方式的改變，可以解決“教學(xué)”與“科研”的矛盾，會充分調(diào)動大學(xué)教師教學(xué)的熱情，鑒于教學(xué)過程的實用性、趣味性與競爭性，將大學(xué)生吸引到大學(xué)課堂，緩解了大學(xué)生逃課現(xiàn)象，讓學(xué)生們在充滿陽光雨露的課堂汲取知識，為將來貢獻社會奠定知識儲備，極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索精神。

學(xué)生通過整個學(xué)習(xí)、探索與設(shè)計過程，體驗到付出的艱辛與收獲的喜悅，教師也在整個過程中體驗到教學(xué)的快樂，師生間的互動交流也順其自然在教與學(xué)的過程中蔚然成風(fēng)。

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