計算機仿真技術在自動化專業教學過程中的應用研究

白 銳 張 健

遼寧工業大學 遼寧錦州 121001

計算機仿真技術是利用計算機科學和技術的成果建立被仿真系統的模型，并在某些實驗條件下對模型進行動態實驗的一門綜合性技術[1]。它具有高效、安全、受環境條件的約束較少、可方便改變仿真參數、仿真條件等優點，已成為分析、設計、運行和評價的重要工具。計算機仿真技術作為信息科學中的核心技術之一，已經被廣泛應用于各行各業中。鑒于計算機仿真技術的優勢，目前，已經逐漸被引入到大學教學過程中，并成為一種新穎的教學手段和方法。

自動化學科是一門科學性與工程性并重的學科，理論性和實踐性的緊密結合是該學科的重要特征[2]。計算機仿真技術已經在多個高校自動化專業教學過程中得到了廣泛的應用，但目前還存在一些問題：

(1)計算機仿真技術還沒有深入到自動化專業教學的各個環節中，目前僅停留在課堂演示的層面上，手段單一化，因此還難以更好地發揮計算機仿真技術在專業教學中的優勢。

(2)目前只是采用單純的計算機仿真軟件進行教學，而硬件和軟件相結合的半實物仿真技術已經成為當前國內外仿真領域的先進技術，我們教學過程中并沒有充分利用計算機仿真領域的這一先進技術和理念。

(3)計算機仿真技術雖然已經初步應用到自動化專業的教學過程中，但是還沒有形成完善的規則制度、評價體系、應用范圍和適用課程等詳細資料，從而使計算機仿真和教學過程相結合這一新穎的教學手段缺乏系統完善的理論依據、實施手段和方法路線等，不夠系統化、規范化和制度化。

為解決上述問題，筆者以自動化專業教學為背景，深入細致地研究計算機仿真技術與自動化專業教學相結合這一新穎有效的教學方法。研究包括計算機仿真技術在多個教學過程中深入全面的使用，半實物仿真等先進計算機仿真技術在教學過程中的應用，計算機仿真教學的系統化、規范化等內容。研究將能夠顯著地豐富和完善現有的教學手段和模式，有利于培養學生的創新能力，從而為“卓越工程師”培養計劃提供一種新的思路和方法，可獲得良好的教學效果。

1 計算機仿真技術在自動化教學環節中的應用

1.1 計算機仿真技術在課堂授課中的應用

對于自動化專業課程的某些知識內容，僅僅依靠板書或者幻燈片等教學手段并不能夠使學生透徹真正地理解。利用計算機仿真軟件對這些知識內容在課堂上進行仿真演示，通過改變仿真參數和仿真條件，獲得不同的仿真結果，能夠使知識內容的傳授更加生動和直觀，從而加深學生的理解。

因此，首先要全面深入地分析自動化專業各個課程教學內容、課程性質等特點，結合計算機仿真技術的優勢和劣勢，確定出在哪些專業課程中、哪些知識內容中需要引入計算機仿真技術。目前，筆者所在單位針對自動化專業的一些主要專業課程，如“交流調速控制系統”“直流拖動控制系統”“過程控制系統”“集散控制系統”“電力電子技術”和“電機拖動”等課程，開發了多個計算機仿真演示軟件，并將這些計算機仿真演示軟件應用于課堂教學過程中。

1.2 計算機仿真技術在課程實驗中的應用

目前，多數課程的實驗手段都是單一的利用實驗裝置進行。受硬件設備等限制因素影響，一臺實驗裝置還難以完成多項實驗內容。計算機仿真實驗不僅可以在一定程度上解決教學資源限制的問題，更重要的是，在仿真實驗中，學生可以方便地觀察在實驗裝置中難以直接觀測的內部參數變化和動態波形，通過對仿真曲線分析可以更加深刻、形象地理解各個知識內容，從而激發學生的學習熱情，啟發學生的探索性、主動性和創造性。

因此，針對上述主要專業課程，開發多個計算機仿真實驗軟件，并作為各個課程的實驗內容，形成以“實物裝置實驗為主，計算機仿真實驗為輔”的課程實驗內容體系。

1.3 計算機仿真技術在課程設計中的應用

結合相關專業課程設計的目的及性質，設計并規劃出相應的、與計算機仿真技術相結合的課程設計題目以及課程設計內容，并應用到課程設計過程中。目前，筆者所在單位已經將計算機仿真技術應用到某些專業課程的設計中，如“交流調速控制系統課程設計”“過程控制系統課程設計”“電氣控制與PLC技術課程設計”“電力電子技術課程設計”等，引導學生在課程設計中采用計算機仿真技術對所設計的內容進行仿真驗證。

1.4 計算機仿真技術在畢業設計中的應用

畢業設計是自動化專業教學過程中的重要環節。根據專業特點，自動化專業的畢業設計內容多數是針對冶金、化工等工業過程進行控制系統的設計。學生在畢業設計過程中雖然對控制系統進行了設計，但多數情況下難以將所設計的控制系統應用到實際工業現場中進行驗證，因此學生也不能清晰地知道自己采用的控制方法以及開發的控制程序是否正確。為解決這一問題，可以將計算機仿真技術引入到自動化專業的畢業設計中，引導學生在畢業設計中采用計算機仿真技術對所設計的內容進行仿真驗證。首先完成控制系統的設計和軟件開發，然后利用計算機仿真技術對設計控制方法和控制程序進行仿真驗證，從而使學生能夠更加深刻理解和掌握畢業設計的內容，提高畢業設計的效果。

2 先進仿真技術在教學過程中的應用—工業控制系統半實物仿真實驗平臺的設計、開發及教學應用

與工程實踐的緊密結合是自動化專業的重要特征之一[3]。但受教學手段和教學資源的限制，在目前的課程設計、畢業設計等環節中，學生很難將自己的設計方案以及開發程序應用到實際的工業對象中，這樣就導致了學生難以檢驗自己的設計效果，從而也難以提高學生的設計能力。雖然計算機仿真技術已經在自動化專業教學過程中得到了應用，但目前的應用只局限于使用仿真軟件的層面上，即課堂演示、課程實驗等內容都是使用軟件的方式。

為了解決這一問題，筆者將半實物仿真(Hardwarein-the-loop-simulation)等先進的計算機仿真技術引入到自動化專業教學過程中。半實物仿真是將控制器(實物)與在計算機上實現的控制對象仿真模型連接在一起進行實驗的技術。在這種實驗中，控制器的動態特性、靜態特性和非線性因素等都能真實地反映出來，因此它是一種更接近實際的仿真試驗技術。

筆者將硬件和軟件結合，研制出由實際的PLC控制系統、PC機和計算機仿真軟件所組成的半實物仿真實驗平臺。與純粹的仿真軟件相比，該仿真實驗平臺能夠更好地提高教學效果。半實物仿真實驗平臺利用我校羅克韋爾工業控制網絡實驗室的相關設備，主要組成部分包括羅克韋爾的ControlLogix PLC、檢測儀表和執行機構裝置、工業過程的模型計算機。ControlLogix PLC、檢測儀表和執行機構裝置均為工業過程控制中的實際設備，工業過程的模型計算機通過運行仿真軟件來模擬實際的工業過程。采用上述半實物仿真實驗平臺，學生可以將自己的設計方案和控制程序在該平臺上進行驗證，從而能夠提高學生的設計能力，實現課程設計和畢業設計的教學目的。

3 結束語

將計算機仿真技術與自動化專業教學進行緊密的結合，探討如何將計算機仿真技術更好地應用在自動化專業的教學過程中。將計算機仿真技術分別應用在課堂授課、課程實驗、課程設計和畢業設計等教學環節中，并將先進的仿真技術—半實物仿真引入到教學過程中。所研究的內容能夠豐富現有的教學方法，有利于培養學生的創新能力。

[1]郝培峰,崔建江,肖文棟,計算機仿真技術[M].沈陽:東北大學出版社,2003.

[2]戴先中.自動化科學與技術學科的內容、地位與體系[M].北京:高等教育出版社,2003.

[3]劉建昌,徐心和.自動化專業實踐教學重要性剖析[J].實驗室研究與探索,2005(12):94-95.