《自動控制原理》虛擬實驗系統在教學中的應用

摘要：《自動控制原理》課程具有自然科學性與工程技術型并存的特點。自動控制實踐性實驗教學是很重要的教學環節。《自動控制原理》虛擬實驗系統為學習者提供了不受時空限制的實驗平臺，豐富了課程教學資源與教學手段。該系統在教學過程中的應用，積極促進了學習者的學習效果，在實驗中培養了學習者的探究性學習興趣，有利于學生創新意識和創新能力的培養。

關鍵詞：自動控制原理；實驗教學；虛擬實驗系統

中圖分類號：G642.4 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）35-0234-03

自動控制技術的應用提供了人們改造自然的能力，尤其隨著計算機技術的快速發展和應用，生產和生活中隨處可見自動控制技術的成功應用。自動控制技術已在工農業生產、交通運輸、航空航天等眾多領域發揮著越來越重要的作用?！蹲詣涌刂圃怼肥亲詣踊跋嚓P專業本科生的重要專業基礎課或選修課，課程的基本內容是關于自動控制的基本規律，介紹基于反饋控制的思想方法和面向控制對象的系統組成，強調自然科學性與工程技術型并存。因此，實驗教學是課程教學的一個重要環節。昆明理工大學《自動控制原理》作為云南省級精品課程，在實驗教學方面進行了改進。實驗教學是精品課程建設的重要組成部分，要體現出課程的基礎性、先進性和時代性；同時，為解決學校日趨緊張的實驗設備及實驗場地等實驗教學條件問題，針對《自動控制原理》的實驗環節，研究設計了《自動控制原理》虛擬實驗系統。

一、建設仿真實驗系統的意義

1.突破實驗時間與空間上的限制。學生可以在任何有網絡終端的地方，利用學?！熬W絡在線”提供的網絡平臺，開展設計性實驗，以及進行與實驗有關的活動。通過網上仿真實驗系統，可以開展理論驗證、實驗設計、仿真，進行模擬實驗內容的預習等。通過實驗理解控制理論相關知識，強化理論教學效果。

2.克服實驗條件的限制。實驗教學手段的現代化擺脫了原有實驗條件的約束，利用系統實驗平臺可進行課程驗證性實驗和設計性實驗，還可進行自主創新實驗的設計與仿真活動。

3.促進學生創新意識和創新能力的培養。實驗教學手段的現代化為學生開展創新活動營造了良好的條件。

4.發揮現代教育技術在教學中的作用。實驗教學一直都是課程教育中的一個重要環節，本系統的實現對深入開展現代教育技術應用于實驗教學是一個很大的促進。本系統作為精品課程建設中的實驗教學條件建設的一個重要內容，補充了《自動控制原理》課程模擬實驗條件局限外的虛擬實驗條件，發揮了現代教育技術在教學中的作用。

二、虛擬實驗系統在教學中的應用

1.系統功能。虛擬實驗系統應體現出課程的基礎性、先進性和時代性。根據《自動控制原理》課程特點和理論教學中的難點，結合課程模擬實驗內容，虛擬實驗系統設計了基礎實驗和自主設計實驗，系統功能組成如圖1所示。

該虛擬實驗系統有兩個層面的教學作用：（1）基礎實驗：包括典型環節特性實驗、典型系統動態特性實驗、典型系統頻率特性實驗、校正實驗等四個基礎實驗內容。主要用于學習者對課程理論的認識與驗證。通過不同數學模型表現的環節（系統）特性或現象，加深對理論的理解；學習者通過基礎實驗，可以驗證理論，甄別概念，加深理解，達到加強教學效果的目的。（2）自主設計實驗：主要用于學習者對控制原理的應用實踐。學習者可設定不同的對象，通過對PID不同組合控制的實驗現象分析，加深對PID控制規律的認識和理解。提供學習者自主性創新設計與應用實踐的研究。

2.系統在教學中的應用。在課程教學過程中，學習者可根據理論教學進程，利用虛擬實驗系統中提供的相關基礎實驗，對理論知識進行實驗性驗證學習和深入研究。學習者在學?！熬W絡在線”上下載《自動控制原理》虛擬實驗系統可執行文件到本機，啟動系統即可進行實驗。系統主界面如圖2所示。

3.系統應用舉例。《自動控制原理》課程中典型二階系統的特征參數與動態性能之間的關系是一個教學重點和難點。學習者可選擇圖1中“典型系統瞬態響應”，通過改變二階系統的兩個特征參數——阻尼比ξ和無阻尼自然振蕩角頻率？棕n，觀察二階系統的瞬態響應，就可實證分析歸納出兩個特征參數對瞬態響應的影響規律，建立典型二階系統的特征參數與動態性能之間的關系，辨明并強化了對該教學重點理論的理解，通過實驗達到對理論教學效果的提高。如圖3所示為阻尼比ξ不同取值（圖3（a）ξ=0.707，（b）ξ=0.5）與二階系統瞬態響應的關系，學習者通過實驗過程觀察到二階系統瞬態響應和性能指標，就可分析歸納出特征參數阻尼比ξ對瞬態響應的影響規律，即阻尼比ξ越小，系統超調量越大，系統相對穩定性越差；阻尼比ξ越大，系統超調量越小，系統相對穩定性越好；特征參數阻尼比描述了系統的振蕩性。這種通過實驗與現象分析歸納出結論的過程對學習者映像是深刻的，通過實踐認知驗證理論知識的過程極大地誘發了學習者探究性學習興趣。既提高了學習效果，又積極促進了學習者創新意識和創新能力的培養。

4.系統應用情況。該系統于2009年8月完成，并在2009～2010學年上學期應用于自動化系2008級280人的課程教學中。特別是該學年課程正逢新老校區實驗室搬遷交替之時，該課程模擬實驗不能及時安排的情況下，該虛擬實驗系統及時提供了學生280人的實驗環境，在理論驗證與研究層面補充了該課程模擬實驗的效果，起到實驗教學環節的重要作用。該系統已在自動化系2009級、2010級近520人的課程教學中應用。同學們使用本系統功能進行仿真實驗，輔助理論教學與實踐，積極促進了學習者的學習效果，在實驗中培養了學習者的探究性學習興趣，有利于學生創新意識和創新能力的培養。

該虛擬實驗系統為一個可執行文件，運行條件不高，占用資源很少，學習者只需在校園網“網絡在線”進入該虛擬實驗系統課程，下載該文件在客戶端，即可運行。該虛擬實驗系統的開放運用，對理論教學效果起到積極的促進作用。虛擬實驗系統體現了本課程的教學實驗內容和基礎性、先進性和時代性特點，能滿足本課程虛擬實驗系統的要求。《自動控制原理》虛擬實驗系統豐富了該課程教學資源與教學手段?！蹲詣涌刂圃怼诽摂M實驗系統獲得云南省教育廳2010年教學軟件評比一等獎；《自動控制原理》課程教學改革與教學實踐成果獲學校2011年度教學成果一等獎。

參考文獻：

[1]李濤.基于Matlab自動控制原理實驗教學[J].科技信息，2012，（5）：264-265.

[2]張琦.利用MATLAB輔助自動控制原理實驗教學[J].黑龍江科技信息，2011，22（1）：188.

[3]王雪，柴毅，丁寶蒼.自動控制原理開放性實驗的開發[J].實驗室研究與探索，2011，7（1）：314-321.

[4]胡壽松.自動控制原理[M].科學出版社，2006.6：21-23.

作者簡介：李玉惠（1964-），女，教授，博士，在昆明理工大學信息工程與自動化學院從事教學與科研工作。