《自动控制原理》课虚拟实验教学的改革与实践

刘 艳，尤 源

（盐城师范学院物理科学与电子技术学院，江苏盐城224002）

“自动控制原理”是高等院校自动化、电气、电子信息等专业学生的必修课程,主要研究自动控制的基本原理，自动控制系统的分析和综合设计的方法，对学生学习后续课程及从事工程实际工作有着重要的影响。目前许多高校将它作为自动化相关专业的研究生入学考试课程[1]。《自动控制原理》课程综合性强，知识覆盖面广，不仅要求学生有扎实的《工程数学》、《电路》、电机》等课程的基础知识，而且还要有很强的计算综合能力，是公认的难教难学的一门课程。控制理论的发展日新月异，实验教学是理论教学的延伸和补充，搞好实验教学是整个自动控制理论教学过程中的重要环节。实践教学，可以使学生更好的理解基础知识，更好的实现理论和实际的有机结合。

对盐城师范学院物理科学与电子技术学院来讲，《自动控制原理》课程是新设专业的新课程，许多事情都在摸索中进行，既要从其他高校学习借鉴一些好的方法，也要根据自身的特点，探索一些有特色的思路。别的高校都是对以前的实验室进行改进，而我们是从无到有，因此希望能有更好的方法，使学生能够掌握这门课程。因此结合本校该课程的实际教学情况，对自动控制原理实践教学提出了改革的思路。

1 自动控制原理的传统实验教学

高校实验室常用的自动控制原理实验仪器，主要是模拟实验装置。一般在课堂理论学习以后，在实验室完成，将系统分解成典型环节，利用实验箱将相应的有源RC网络模块连接，最后通过示波器观察实验结果。传统的实验教学方式，学生要熟练电源、信号发生器以及一些常规仪器仪表的使用，对锻炼学生的动手能力起到了一定的作用。

但是传统的实验方式也有着一定的不足：

（1）所开设的实验项目，总是要受到实验设备和实验仪器的限制；

（2）随着学生人数的增加，有限实验设备和实验指导老不能满足需要。仪器损耗大，实验多批次安排，教师工作量大。

（3）实验设备高度集成，操作复杂，可扩展性差，另外可改参数有限,使得综合性实验难以开展。

（4）自控实验学时有限,传统实验室又是非开放性的,要想在有限学时里巩固和掌握课堂内容,显然是很困难的。不能达到实验要求和促进课程理论教学的目的。

因此，这样的实验室成本高，仪器耗损大，重复利用率低，相对于越来越多的学生数而言，已经远远不够，必须寻找更好的实验方法。

2 自动控制原理的计算机仿真实验

高等教育一直强调动手能力的重要性。学校为了提高学生解决实际问题的能力，改进实验设备，必然是改革过程中重要的一环。因此，国内外许多高校都对传统的自动控制原理实验进行了改进[2]。计算机仿真，能很好地解决传统实验教学面临的困难，既可以激发学生的学习兴趣，提高理论教学效果，又可以缓解实验设备紧张的问题。特别是一些工科专业建设相对较晚的院校，可以借鉴其他高校的经验，建立仿真实验室。

目前在自动控制、通信及信号处理等领域中，MATLAB具有非常重要的地位，是各高校的首选，利用MATLAB可视化编程能力的图形用户界面、丰富的工具箱、SIMULINK仿真功能以及强大的绘图功能，可以构建《自动控制原理》实验仿真平台[3]。该平台充分考虑了本学科的特点,基本上覆盖了所要求的实验内容；用户界面良好，具有一定的交互功能和仿真运行功能。由该实验系统得到系统的各种响应，分析系统的性能。由MATLAB得到的系统响应及性能指标比用模拟电路系统得到的结论更加准确，便于分析，是自动化专业的学生必须掌握的一门软件知识。

把MATLAB作为一种基本工具与教学内容有机结合，用于控制系统分析、计算、设计和仿真，使教学及实验效果、效率均有明显提高。

基于MATLAB的《自动控制原理》实验仿真平台，与传统的实验方法相比，具有许多优越性：

一是增加了综合性、设计性实验。综合性、设计性实验对学生扎实地掌握所学的内容、灵活运用课本知识，是非常重要的。由于种种原因，学生利用实际的硬件自己设计、校正系统，在有限时间内要做成，是比较困难的；而利用MATLAB实验无需依赖硬件设备，利用MATLAB对系统进行综合与校正，提高了学生的实践能力。

二是具有更灵活的实验形式，既可以在多媒体教室上课时演示，也可以由学生上机实践。教师还可以根据需要,分解组合各实验的内容。通过这些实验,既有助于学生对课程内容的理解和掌握,也会对熟悉和应用MATLAB起到积极作用，很大程度上提高了学生的主动性和学习效率。

因此，虚拟仿真实验与传统模拟实验相结合，激发了学生学习兴趣，加深了对理论知识的理解。但随着教学实践的深入，还有许多的问题需要解决。

3 基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验系统

尽管借助于MATLAB可以完成所有的实验，学生的编程能力也会有所提高，实验效果也很好。但是由于MATLAB的局限性，这些虚拟实验系统仅限于软件模拟，这样不能锻炼学生的动手能力和硬件调试能力，并且软件模拟实验给学生的印象，并不如硬件实验那样深刻。另外，由于MATLAB软件模拟往往需要学生对其有一定的熟悉和了解，这对于低年级的学生来说，比较困难。

LabVIEW是NI公司推出的一种基于G语言(图形化编程语言)的虚拟仪器软件开发工具[4]。它的出现，使得现场数据检测变得十分方便，而且由软件实现的仪器界面非常友好美观，具有强大的数据运算及处理功能，能够集信号发生、数据采集、波形显示、数据处理和结果输出等多种功能于一身。对技术人员而言，编程简单，易于理解，上手快，效率高；LabVIEW提供了丰富完善的功能图标，用户只需直接调用，就可免去自己编程的烦琐；由软件实现的仪器界面非常友好美观，具有强大的数据运算及处理功能；可以方便地与MATLAB及C语言接口，广泛地应用于各种控制系统的仿真与分析中,是开发应用于实验室的虚拟仪器的有力的软件工具[5]。

在设计《自动控制原理》虚拟实验系统时，我们对传统实验项目进行改革，在内容上做到理论中的各个章节的重点内容都开设实验，做到理论和实践有机的结合。主要研究基于LabVIEW的前台用户界面设计，基于MATLAB的后台控制策略研制，着重解决MATLAB与LabVIEW的接口问题。这样基于LabVIEW的动态显示功能，结合MATLAB强大的数值计算功能，构成融实例显示和仿真分析为一体的动态教学平台。在加强基础实验的同时，还可以设计综合性设计性实验，依托浙大中控的CS4000过程控制实验装置，对典型系统，如水位控制系统、温度控制系统等，进行有关综合设计实验，极大地调动了学生的学习兴趣，提高了创新能力。

在新的实验系统中，学生对实验的操作更加方便省时，单位学时内所能完成的实验内容增多了，提高了实验教学的效率。同时把软件又是仪器的概念，引入到了实验系统的设计中，而不是单一的程序仿真。实验室的功能不再单一，可面对更多课程的实验及课程设计，向学生开放，为学生提供更多的实践及创新机会。

4 结束语

本文针对学校《自动控制原理》课程实践教学的实际情况，进行了改革尝试，并应用于实际教学。经过几年的努力，通过毕业设计、开放实验室等多种办法，逐步完善实验系统。实践结果表明，用虚拟实验系统代替传统实验室，用软件模拟实际硬件的全部功能，节约了成本，解决了没有实验室的难题，提高了教学效果；既培养了学生在数据采集和分析、计算机仿真系统方面的能力，同时又不忽略对硬件系统的认识，可以加深学生对所学知识的理解，提高动手能力。另外，探索用虚拟实验系统代替传统实验室，可以为学校许多新增的电子电气类课程开设实验，提供新的思路。

[1]顾九春，王 品，宋进桂.《自动控制原理》课程虚拟实验平台的设计[J].高校实验室工作研究，2008，95(1):50-52.

[2]马 壮，吕宏丽,周浩淼.《自动控制原理》实验教学内容改革与实践[J].实验室科学.2009，2(2):47-48.

[3]董海瑞，齐晓慧，等.基于MATLAB的《自动控制原理》虚拟实验仿真平台[J].实验室研究与探索，2005，24（增刊）:216-218.

[4]赵剑锋,吴继平.基于LabVIEW的自动控制原理虚拟实验系统[J].电气电子教学学报，2007，29(1):85-87.

[5]曹建荣，谢秀颖，徐红东.虚拟仪器技术在自动控制原理实验中的应用[J].实验室研究与探索，2004，23(5)：38-40.