李彥江，譚沖，呂建婷，鞏誠

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三維虛擬仿真系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

李彥江1，譚沖2，呂建婷1，鞏誠1

（1. 黑龍江大學(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2. 哈爾濱理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

介紹了三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在高校控制類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中的應(yīng)用．在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)上，借助三維虛擬仿真系統(tǒng)構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，補(bǔ)充傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，提高了學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力，為培養(yǎng)控制類專業(yè)高層次實(shí)踐創(chuàng)新人才提供了有效途徑．

三維虛擬仿真系統(tǒng)；控制類課程；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)教育正面臨著數(shù)字化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化的巨大沖擊．互聯(lián)網(wǎng)的開放性、實(shí)時(shí)交互性、人性化和個(gè)性化等優(yōu)勢變得越來越明顯．因此，如何將互聯(lián)網(wǎng)和傳統(tǒng)教育有機(jī)結(jié)合達(dá)到更理想、更高效的教學(xué)效果成為現(xiàn)代教育面臨的主要問題[1]，而基于互聯(lián)網(wǎng)的教學(xué)模式將成為現(xiàn)代教育的一種重要方式．它可以大幅度地提高教育的質(zhì)量和效率，更深層次地改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下師生間的交互體驗(yàn)[2]．

實(shí)驗(yàn)是教學(xué)活動(dòng)不可或缺的一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力[3]．傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要通過固定實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)方式訓(xùn)練和提升學(xué)生的實(shí)踐能力．在固定實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書連接好系統(tǒng)，輸入相應(yīng)程序即可完成實(shí)驗(yàn)，無法深入地運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問題．在實(shí)物實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以親手安裝和調(diào)試實(shí)際系統(tǒng)，充分培養(yǎng)動(dòng)手能力．但實(shí)物實(shí)驗(yàn)受到設(shè)備數(shù)量和品種等方面的限制，占用課時(shí)多，消耗大，成本高．互聯(lián)網(wǎng)的介入使實(shí)驗(yàn)教學(xué)得以廣泛實(shí)現(xiàn)與推廣．學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在線編譯實(shí)時(shí)仿真，使每個(gè)學(xué)生都能參與實(shí)驗(yàn)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備欠缺和資金不足等問題．因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)作為一種新的教學(xué)手段正逐步運(yùn)用于控制類課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供有利條件．

1三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)

目前，網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)的發(fā)展在我國還處于初級(jí)階段，但是發(fā)展速度迅猛[4]．國內(nèi)許多高校都在積極地研究和開發(fā)基于Web的網(wǎng)絡(luò)教育應(yīng)用系統(tǒng)，構(gòu)建更為有效的虛擬校園，以適應(yīng)先進(jìn)理論，特別是先進(jìn)控制類課程教學(xué)[5-8]．如清華網(wǎng)絡(luò)學(xué)堂虛擬教學(xué)平臺(tái)、北京大學(xué)虛擬教學(xué)平臺(tái)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)虛擬教學(xué)平臺(tái)等．

哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉國平教授團(tuán)隊(duì)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)三維實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)室（3D-NCSLab）是基于互聯(lián)網(wǎng)的三維虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)仿真控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室．它集成了多種三維虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對各類經(jīng)典控制（如基于傳遞函數(shù)的PID控制、頻率響應(yīng)法和根軌跡法）、現(xiàn)代控制（如基于狀態(tài)空間方程的LQR控制）、先進(jìn)控制系統(tǒng)（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制）進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，它可針對各種三維虛擬被控制對象，在互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器中對控制方法和策略進(jìn)行閉環(huán)控制系統(tǒng)的可視化組態(tài)設(shè)計(jì)；然后自動(dòng)生成可執(zhí)行代碼，通過網(wǎng)絡(luò)下載到實(shí)時(shí)仿真控制器中執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真；同時(shí)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)化可視監(jiān)控組態(tài)設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和遠(yuǎn)程調(diào)試．該系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)控制仿真器、3D虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備卡、系統(tǒng)服務(wù)器和交換機(jī)組成．

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室可作為自動(dòng)控制理論和控制技術(shù)教學(xué)、研究、實(shí)驗(yàn)和評估的平臺(tái)，可以快速建立閉環(huán)控制系統(tǒng)原型，進(jìn)行控制算法開發(fā)、實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證等工作，搭建起控制理論與實(shí)際應(yīng)用之間的橋梁．該系統(tǒng)包含運(yùn)動(dòng)控制、伺服控制、過程控制和復(fù)雜控制等4個(gè)子實(shí)驗(yàn)室，集成了20種三維虛擬被控制對象，可以利用該平臺(tái)學(xué)習(xí)這些被控制對象的控制方法．系統(tǒng)主要包含高性能的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)控制仿真器和功能強(qiáng)大的系統(tǒng)服務(wù)器２個(gè)部分．網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)控制仿真器運(yùn)行具體控制算法，通過網(wǎng)絡(luò)接口接收監(jiān)控組態(tài)平臺(tái)的控制參數(shù)與控制命令，并將控制對象的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)地上傳至監(jiān)控組態(tài)平臺(tái)．它基于20個(gè)高性能、低功耗的32位ARM微處理器，運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，提供網(wǎng)絡(luò)接口，具有較高的運(yùn)行速度和較大的尋址能力，加上嵌入式操作系統(tǒng)的多任務(wù)和實(shí)時(shí)性，可以完全保證復(fù)雜控制算法的流暢運(yùn)行．系統(tǒng)服務(wù)器用來與用戶進(jìn)行交互，幫助網(wǎng)站完成Web仿真和編譯功能．系統(tǒng)服務(wù)器具有穩(wěn)定、高效的特點(diǎn)并具有豐富的功能，包括系統(tǒng)設(shè)定配置、首頁頁面管理、實(shí)驗(yàn)室的管理、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的管理、用戶管理和新聞管理等．該系統(tǒng)可以全天候運(yùn)行，滿足20人同時(shí)在線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，還有共享算法功能，用戶也可以根據(jù)系統(tǒng)提供的資料獨(dú)自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．在3D-NCSLab系統(tǒng)架構(gòu)中，服務(wù)器端是一個(gè)重要組成部分，它將客戶端與設(shè)備控制單元通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在了一起，同時(shí)也使在Web網(wǎng)頁編譯MATLAB控制算法成為可能．服務(wù)器端包括MATLAB服務(wù)器和3D-NCSLab web服務(wù)器，它們在3D-NCSLab系統(tǒng)中分擔(dān)著不同的工作．

2 三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)三維虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室充分地解決了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備數(shù)量欠缺，品種單一，耗材消耗大，成本高等缺點(diǎn)，它以其高效率、低成本、內(nèi)容豐富、性能有效和安全等優(yōu)勢得到廣泛的應(yīng)用和推廣．3D-NCSLab讓學(xué)生在模擬的真實(shí)情境下進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究，這種教學(xué)方法生動(dòng)形象，更貼近現(xiàn)實(shí)工作場景和實(shí)際工程系統(tǒng)，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)融入相應(yīng)工作場景，真實(shí)地體驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)生活中進(jìn)行設(shè)計(jì)、控制與操作的感覺，以達(dá)到更快掌握操作技能的目的．而且，這種教學(xué)方法可以利用計(jì)算機(jī)軟件的優(yōu)勢創(chuàng)造出靈活多樣的工作場景，使學(xué)生可以不受場地與設(shè)備的限制，體驗(yàn)更多的實(shí)際工作場景，將所學(xué)理論知識(shí)應(yīng)用到各種實(shí)際場景中，從而掌握更多實(shí)際的操作技能和經(jīng)驗(yàn)，更好地將理論與實(shí)踐相結(jié)合，從而掌握更多的技能，提升學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力．

3結(jié)論

三維虛擬仿真系統(tǒng)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備短缺、空間不足和成本高的缺陷，完成先進(jìn)虛擬設(shè)備的集成與整合，降低教育設(shè)備的總體投入，加強(qiáng)師生間的相互協(xié)作，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，提升學(xué)生的實(shí)踐能力．

[1] 張啟，王婷．關(guān)于虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降奶接慬J]．科技信息，2010（15）：235

[2] 盧云輝．論虛擬教學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能繼續(xù)教育研究，2009（6）：171-172

[3] 中華人民共和國教育部．教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見[EB/OL]．（2012-03-16）[2016-01-02].http:// www.moe.edu.cn

[4] 張進(jìn)．網(wǎng)上虛擬教學(xué)學(xué)習(xí)資源中心的建設(shè)[J]．電化教育研究，2005（4）：77-80

[5] 韓芝俠，魏遼博，韓宏博，等．仿真虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究與實(shí)踐[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2006，23（5）：63-65

[6] 劉春生，張紹杰，王晶．“最優(yōu)控制理論”研究生課程教學(xué)的探索與實(shí)踐[J]．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37（3）：30-32

[7] 岳東．網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析與綜合[M]．北京：科學(xué)出版社，2007

[8] 劉濤，黃梓瑜．智能控制系統(tǒng)綜述[J]．信息通信，2014（8）：101-102

Application of 3D virtual simulation system in the experimental teaching

LI Yan-jiang1，TAN Chong2，Lü Jian-ting1，GONG Cheng1

（1.School of Mathematical Science，Heilongjiang University，Harbin 150080，China 2. School of Automation，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

The application of 3D virtual simulation system is studied in the experimental teaching for the cybernetics specialty．On the basis of the traditional experimental teaching，3D virtual simulation system is used to establish virtual experiments，which can supply the lack of traditional experimental teaching and improve students′ practical ability．The 3D virtual simulation system is an efficient way to train the high level practical and creative talents of the control specialty．

3D virtual simulation system；control course；experimental teaching

O23∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.04.016

2016-03-02

2015年黑龍江省學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（JGXM_HLJ_2015056）；2015年黑龍江大學(xué)學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（GXM_YJS_2015008）；2014年黑龍江省高等學(xué)校教改工程資助項(xiàng)目（JG2014011142）

李彥江（1980-），男，黑龍江哈爾濱人，副教授，博士，從事網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)和T-S模糊系統(tǒng)研究．E-mail：2010024@hlju.edu.cn

1007-9831（2016）04-0059-03