付興建， 劉小河

(北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 北京 100192)

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信息與控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)與實(shí)踐

付興建， 劉小河

(北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院, 北京 100192)

實(shí)驗(yàn)室是高等學(xué)校培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的重要場所。我校自動(dòng)化專業(yè)本科生培養(yǎng)方案，顯著強(qiáng)調(diào)了實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)置上，更注重設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)踐環(huán)節(jié)。建設(shè)自動(dòng)化信息與控制綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，旨在服務(wù)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)踐性環(huán)節(jié)和創(chuàng)新人才培養(yǎng)，構(gòu)建人才培養(yǎng)實(shí)踐體系平臺(tái)和環(huán)境，全面培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力。本文對(duì)我校自動(dòng)化信息與控制綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)的建設(shè)思路、建設(shè)內(nèi)容等方面進(jìn)行了探索和實(shí)施。

綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)； 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)； 人才培養(yǎng)

0 引 言

我校自動(dòng)化專業(yè)2008年被批準(zhǔn)為北京市特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，同年開始一本招生，2009年被批準(zhǔn)為教育部第四批特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，2011年進(jìn)入教育部卓越計(jì)劃，2012年開始招生卓越班。2014年通過校內(nèi)專業(yè)評(píng)估，2015年申請(qǐng)參加工程認(rèn)證評(píng)估。為滿足應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，培養(yǎng)卓越人才[1-3]。目前自動(dòng)化專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)設(shè)備，主要是為專業(yè)教學(xué)而配備，早已是各個(gè)廠商產(chǎn)品化的東西[4]，不太適合對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，另外相關(guān)的設(shè)備也不能進(jìn)行靈活的應(yīng)用，在特色專業(yè)建設(shè)、特色教學(xué)裝備的研究上難以深入。同時(shí)，自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室還要服務(wù)于我校多個(gè)學(xué)院的多門課程課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)等，面積和設(shè)備數(shù)有限，學(xué)生班級(jí)較多，實(shí)驗(yàn)安排存在困難，開放實(shí)驗(yàn)和畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容等不夠豐富。2012修訂的培養(yǎng)計(jì)劃中部分專業(yè)課程將采用實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的模式，并對(duì)學(xué)生開展研究訓(xùn)練計(jì)劃，因此，要配備一些實(shí)用的控制類對(duì)象，創(chuàng)造更好的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)氛圍，需要相適應(yīng)的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境，滿足教學(xué)改革與創(chuàng)新的需求。

要注重學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)，在目前設(shè)備上進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，其創(chuàng)新程度意義很難再加以擴(kuò)展。自動(dòng)化專業(yè)應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系[5]，不僅要培養(yǎng)優(yōu)秀的應(yīng)用型水平高的大學(xué)生，而且能鍛煉一批有創(chuàng)新精神、勇于攻關(guān)、知識(shí)結(jié)構(gòu)合理、奮發(fā)進(jìn)取的能進(jìn)行高水平研究和開發(fā)的大學(xué)生隊(duì)伍[6-9]。借住中央財(cái)政支持地方高校發(fā)展專項(xiàng)資金資助的機(jī)會(huì)，我們建設(shè)了自動(dòng)化專業(yè)信息與控制系統(tǒng)綜合實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。通過項(xiàng)目實(shí)施，著重對(duì)現(xiàn)有的微機(jī)實(shí)驗(yàn)室、自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)室、伺服控制實(shí)驗(yàn)室、計(jì)算機(jī)測控實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行升級(jí)改造。對(duì)自動(dòng)控制理論、現(xiàn)代控制理論、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、智能控制技術(shù)、自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真、DSP原理及應(yīng)用、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)、微機(jī)原理等課程，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、開放實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、大創(chuàng)項(xiàng)目等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，有了嶄新的綜合實(shí)踐平臺(tái)。

1 綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)思路

以工程化實(shí)踐教學(xué)為主體，以科研提升教學(xué)水平，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心支撐和促進(jìn)學(xué)科專業(yè)發(fā)展，全面培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐和系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力為指導(dǎo)思想，旨在建設(shè)一個(gè)服務(wù)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)踐性環(huán)節(jié)和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[10-12]。自動(dòng)化專業(yè)本科生教育教學(xué)培養(yǎng)方案中，顯著加強(qiáng)了實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[13-14]，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的設(shè)置上更注重設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)踐環(huán)節(jié)。

學(xué)生利用教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可根據(jù)自身特點(diǎn)采用不同的層次而進(jìn)行(見表1)。

基本實(shí)驗(yàn)(層次1)為傳統(tǒng)方式或簡單實(shí)驗(yàn)方式。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書按部就班進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，學(xué)生基本不需要?jiǎng)?chuàng)新和自由發(fā)揮就可以。

拓展與項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)(層次2)為項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)方式。學(xué)生完成的是一個(gè)有明確目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(可能會(huì)包含多個(gè)上述的簡單實(shí)驗(yàn))，不再明確規(guī)定具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟，一旦完成實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，表明學(xué)生已經(jīng)掌握和該實(shí)驗(yàn)有關(guān)的所有內(nèi)容，學(xué)生有相當(dāng)?shù)淖杂蛇M(jìn)行創(chuàng)新和發(fā)揮。

探索實(shí)驗(yàn)(層次3)為探索實(shí)驗(yàn)方式。目標(biāo)不是很明確的實(shí)驗(yàn)，但有大致方向，通過實(shí)驗(yàn)可能找到更好的方法和途徑，或找到某種規(guī)律性；可以充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手和科研能力。通過實(shí)驗(yàn)分層次，不僅掌握了基本知識(shí)，還可以接觸先進(jìn)技術(shù)。從理論驗(yàn)證到設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的編程練習(xí)，探索性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相似的產(chǎn)品設(shè)計(jì)等，使學(xué)生有很大收獲。

表1 綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展的部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

該教學(xué)平臺(tái)建設(shè)，具有系統(tǒng)性、開放性、工程型、先進(jìn)性的優(yōu)勢，能夠達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平?？梢愿鶕?jù)自己學(xué)生的具體情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，層次1為基本要求，大部分學(xué)生都可以進(jìn)行；層次2可充分發(fā)揮學(xué)生的綜合能力，可在部分學(xué)生中進(jìn)行；層次3可以充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力，可在少量優(yōu)秀學(xué)生中進(jìn)行。

該教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立可以提高學(xué)生動(dòng)手操作能力，完善知識(shí)結(jié)構(gòu)[15-16]。不僅掌握基本知識(shí)，還可以接觸先進(jìn)技術(shù)。從理論驗(yàn)證到設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的編程練習(xí)，探索性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相似的產(chǎn)品設(shè)計(jì)等，逐步形成層次，可使學(xué)生有很大收獲。

2 綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)內(nèi)容

自動(dòng)化專業(yè)信息與控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)，主要建設(shè)內(nèi)容包括以下四部分。

(1) 現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)創(chuàng)新平臺(tái)(含實(shí)時(shí)仿真控制軟件)。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)綜合目前國內(nèi)各類學(xué)科電力電子變流技術(shù)、交直流調(diào)速、異步電機(jī)控制、控制理論等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。采用模塊化，可根據(jù)不同的要求選擇和組合搭配模塊。利用TI公司32位高性能TMS320F2812 DSP最新產(chǎn)品做為控制核心芯片，并設(shè)計(jì)成為基于PCI總線的DSP2812運(yùn)動(dòng)控制卡，利用超高速度的PC實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制算法。同時(shí)，解決了Windows操作系統(tǒng)下實(shí)時(shí)控制的關(guān)鍵技術(shù)，并開發(fā)出電機(jī)控制實(shí)時(shí)控制軟件和Matlab實(shí)時(shí)控制模塊庫。利用本運(yùn)動(dòng)控制卡和接口軟件，可以完成交流感應(yīng)電機(jī)、直流無刷電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等眾多電機(jī)的實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)，直接在Windows系統(tǒng)上使用C、C++或者Basic語言編寫電機(jī)控制算法，無須了解任何DSP電機(jī)控制相關(guān)技術(shù)，更重要的是，也可以使用Matlab語言編寫算法或者用Simulink庫搭建電機(jī)控制算法。同時(shí)，可以進(jìn)行更復(fù)雜的控制算法如自適應(yīng)控制、解耦控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等實(shí)驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)參數(shù)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)，可以采集系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。不但可以保存下來做進(jìn)一步的分析， 甚至可以通過Matlab的REAL-TIME 工具箱或類似的軟件，進(jìn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)處理，比如自適應(yīng)參數(shù)辨識(shí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等無法用DSP 實(shí)現(xiàn)的算法，都可以方便的實(shí)現(xiàn)，以及實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜算法的實(shí)時(shí)控制功能。比如圖1，Simulink模塊實(shí)現(xiàn)的SPWM開環(huán)變頻調(diào)速。

圖1 Simulink模塊實(shí)現(xiàn)的SPWM開環(huán)變頻調(diào)速

此平臺(tái)可以做實(shí)驗(yàn)的課程包括：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)控制理論、DSP控制器技術(shù)、自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真、自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、開放實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)等。

(2) 伺服電機(jī)控制教學(xué)創(chuàng)新型平臺(tái)。本實(shí)驗(yàn)裝置是一套完整FPGA交直流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)(見圖2)，除提供傳統(tǒng)自動(dòng)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)外，還提供了FPGA設(shè)計(jì)DSP伺服電機(jī)控制芯片所有源代碼，非常容易做二次開發(fā)研究，非常符合學(xué)校重新規(guī)劃完整的全新技術(shù)伺服電機(jī)與自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室。此裝置主要?jiǎng)?chuàng)新性有中文 FPLC人機(jī)圖控操控系統(tǒng)設(shè)計(jì)；FPLC 人機(jī)圖控提供二次開發(fā)實(shí)驗(yàn)功能；提供4頻道示波器實(shí)時(shí)顯示功能，觀測伺服電機(jī)控制波形顯示；提供16頻道24 MB邏輯分析實(shí)時(shí)顯示功能，觀測伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)與電流回饋顯示；提供在FPGA 具有DSP交流伺服電機(jī)功能控制芯片，并可重新規(guī)劃設(shè)計(jì)。分為交流伺服(直流無刷)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交直流混合控制伺服電機(jī)、線性伺服電機(jī)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)四種，可以進(jìn)行電機(jī)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的開展。

圖2 基于FPGA的伺服控制教學(xué)創(chuàng)新型平臺(tái)

此設(shè)備既可以做基礎(chǔ)性試驗(yàn)，比如數(shù)字濾波器設(shè)計(jì) (FIR)、紅外線通訊實(shí)驗(yàn)等。又可以做一些可拓展性項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，比如走馬燈控制實(shí)驗(yàn)、四鍵輸入的電子密碼鎖實(shí)驗(yàn)等。還可以進(jìn)行創(chuàng)新性項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，比如FPGA聯(lián)機(jī)設(shè)計(jì)、內(nèi)存的運(yùn)用等。

(3) 環(huán)形串聯(lián)二級(jí)倒立擺。購買某公司科技環(huán)形倒立擺系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品采用開放的控制解決方案和模塊化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊為基礎(chǔ)平臺(tái)，輕松構(gòu)建環(huán)型一級(jí)倒立擺, 環(huán)形串聯(lián)兩級(jí)倒立擺、環(huán)形并聯(lián)兩級(jí)倒立擺，甚至串并聯(lián)混合三級(jí)擺、四級(jí)擺等，全方位滿足控制研究的需要。系統(tǒng)特點(diǎn)有環(huán)形軌道，無機(jī)械限位，更適合起擺算法研究實(shí)驗(yàn)；采用集電滑環(huán)將反饋信號(hào)接入控制器，即使擺座無限轉(zhuǎn)動(dòng)，也不會(huì)發(fā)生電纜繞結(jié)；采用落地式機(jī)械結(jié)構(gòu)，無需專用工作臺(tái)；工業(yè)化增量碼盤反饋和交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；開放性，基于PC和DSP運(yùn)動(dòng)控制器的開放式硬件平臺(tái)；Matlab和DOS開發(fā)環(huán)境，提供源代碼；創(chuàng)新性，隨意配置獨(dú)具個(gè)性的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；開發(fā)和驗(yàn)證自己的控制算法，挑戰(zhàn)并聯(lián)擺平衡控制和串聯(lián)擺起擺等控制難題。

采用Matlab實(shí)驗(yàn)環(huán)境，利用Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模分析與控制器設(shè)計(jì)以及仿真，利用Real-Time Windows Target對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，可以很方便的將建模與仿真得到的控制器用于實(shí)際控制，系統(tǒng)控制界面如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制界面

環(huán)形倒立擺可以用于機(jī)電一體化、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理等課程的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括實(shí)際系統(tǒng)建模與分析、數(shù)據(jù)采集與處理、控制器設(shè)計(jì)、根軌跡控制實(shí)驗(yàn)、參數(shù)辨識(shí)、環(huán)形一級(jí)順擺的PID/LQR控制仿真與實(shí)驗(yàn)、環(huán)形二級(jí)倒立擺的PID/LQR控制仿真與實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可以采用的控制理論有經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論、智能控制理論等。可以做實(shí)驗(yàn)的課程包括：自動(dòng)控制系統(tǒng)、智能控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制、系統(tǒng)辨識(shí)、自適應(yīng)控制等。此套裝置主要用于學(xué)生探索性的實(shí)驗(yàn)。

(4) 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)。支持Linux、WinCE、Vxworks、μC/OS-Ⅱ 4套操作系統(tǒng)，主要是讓學(xué)生掌握嵌入式開發(fā)環(huán)境，多線程應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，Linux內(nèi)核移植與編譯實(shí)驗(yàn)，簡單的嵌入式WEB服務(wù)器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，USB攝像頭視頻采集實(shí)驗(yàn)，網(wǎng)口實(shí)驗(yàn)，觸摸屏實(shí)驗(yàn)，TFT LCD液晶顯示屏，直流電機(jī)實(shí)驗(yàn)等。

3 結(jié) 語

自動(dòng)化信息與控制綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，不僅能保證實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)一批基礎(chǔ)知識(shí)扎實(shí)，具有實(shí)踐動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生，而且能鍛煉一批有創(chuàng)新精神、勇于攻關(guān)、知識(shí)結(jié)構(gòu)合理、奮發(fā)進(jìn)取、能進(jìn)行高水平創(chuàng)新研究和開發(fā)的大學(xué)生隊(duì)伍。該教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)以后，可以滿足包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)控制原理、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)等多門課程、多層次的實(shí)驗(yàn)需求，每年服務(wù)或參與學(xué)生達(dá)1 200人?？筛?0多項(xiàng)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，新增機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制、同步電機(jī)伺服控制、基于ARM處理器實(shí)現(xiàn)視頻顯示與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集等不同層次的實(shí)驗(yàn)幾十項(xiàng)。該創(chuàng)新平臺(tái)具有系統(tǒng)性、開放性、工程型、先進(jìn)性的優(yōu)勢，能夠達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

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·名人名言·

任何天才不能在孤獨(dú)的狀態(tài)中發(fā)展。

——愛因斯坦

Exploration and Practice of the Integrated Experimental Teaching Platform for Information and Control System

FUXing-jian,LIUXiao-he

(School of Automation, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China)

Laboratory is an important place for training students’ practical and innovative ability in a university. The cultivation practice and innovation ability are significantly stressed in the training program for automation specialty in our school. The information and control system experimental platform is built to service experimental teaching and creative talents. At the same time, this experimental teaching platform establishes the training practice environments to facilitate students’ practical engineering ability and system design capability. In this paper, the construction ideas and construction content are explored and implemented for the information and control system integrated experimental teaching platform in automation specialty.

integrated experimental platform; laboratory construction; talent training

2015-05-14

北京信息科技大學(xué)2013年度高教研究課題資助(2013GJYB10)； 2014年北京市財(cái)政項(xiàng)目“本科生培養(yǎng)-教學(xué)改革立項(xiàng)與研究”(PXM2014-014224-000088)；北京信息科技大學(xué)2015 年人才培養(yǎng)質(zhì)量提高經(jīng)費(fèi)(5111523309 )支持

付興建(1974-)，男，山東茌平人，博士，副教授，主要從事控制理論與控制工程方面的教學(xué)和科研工作。

Tel.：13691300558；E-mail:redbrook@sina.com

G 482

A

1006-7167(2016)04-0190-04