自動化專業實驗設備的自主研制與二次開發

侯 震，楊婷婷，劉文泉，杜新虎

(西北工業大學 自動化學院，陜西 西安 710072)

隨著我國高等教育教學改革的不斷深入，高校在進一步提升實驗教學環節對培養學生綜合能力、創新精神等方面的探索與實踐也在不斷加強[1]。而如何提供給學生合理、高效的實驗教學設備是這項工作中的重點、難點[2-3]。有了實實在在的硬件支撐平臺，教學體系的完善、實驗教學模式的改變、實驗教學方法的更新等相關工作的開展就不再是紙上談兵、水中望月。項目組根據我校自動化專業實驗室經費投入有限、學生接待量大等具體情況，制定了自主研制與二次開發同時并行的思路。

1 自主研制

“自動控制原理”是自動化專業最主要的一門專業主干課程[4]，原有的配套實驗設備已經老化，無法滿足課程的基本需求。國內市場上的設備設計過于粗糙，知識點之間缺乏貫穿綜合，項目組決定自主研制。

ACES-II自動控制綜合實驗平臺在設計時，除了考慮滿足提出的基本技術指標外，還著重考慮了實驗系統的綜合性、多用途以及高效可靠等方面的實際教學需求。實驗平臺硬件采用NI(美國國家儀器)公司USB總線數據采集模塊，軟件采用NI公司Labwindows/CVI開發。可進行“自動控制原理”、“現代控制理論”、“計算機控制”和“虛擬儀器技術”4門課程的配套實驗，以及綜合性實驗、自主創新實驗、相關課程的課程設計等教學實踐環節。配套的軟件界面如圖1所示，包括直流電機轉速、水箱液位、加熱源溫度3個控制對象，均具有內部和外部2種控制方式。學生不但可以通過計算機進行數字PID控制，也可利用實驗電路區搭建各種控制回路，實現對控制對象的控制。

圖1 ACES-II 虛擬示波器界面

實驗電路區所有實驗參數的選擇和設定均通過撥動開關實現選擇和切換，通過開關選擇不同的電阻電容，實現參數調整，如圖2所示。這種設計大大簡化了電路連接，增加了系統的可靠性[5]。實驗臺采用全鋼板結構，元器件經過嚴格篩選。所有連接線均采用帶硬彈簧φ4mm連接頭的2.5mm2連線，連接接觸可靠，不宜損壞，適合多班次學生實驗使用。功能區全部采用模塊結構，統一接口，易于維護和更換。

圖2 實驗電路區1功能面板示意圖

2 二次開發

二次開發主要是針對以下2類設備：

(1) 實驗室已有的一些設備，主要功能雖然完好，但是以驗證性實驗項目為主。實驗項目的設計沒有從課程和專業的總體出發，相互獨立、沒有聯系、過于粗糙，沒有明確體現出實際工程應用背景，有一些為了實驗而實驗的感覺。

(2) 另外還有一些設備，由于購買年代較早，沒有數字化的功能，不能直接和計算機連接，影響了功能的進一步提升。對于這兩類設備，完全丟棄報廢不但過于可惜，而且重新建設無論從方式上還是經費方面都不現實。

我們認為以現有設備為基礎平臺、在費用投入很低的前提下，充分發揮教師的創造力、挖掘現有資源、改造現有設備、重新規劃設計能夠激發學生主動進行實驗的自主類實驗項目，是一種切實可行的方案。

2.1 “傳感器與檢測技術實驗臺”二次開發

實驗室現有“傳感器與檢測技術實驗臺”10套，可進行包括多種常用傳感器在內的20余種實驗項目，主要以驗證性實驗項目為主。經過對現有設備和資源進行整合、改造，二次設計開發自主類實驗項目15項，課內33學時，經費投入少于3萬元。

如圖3所示，綜合性實驗項目中傳感器不再單獨出現，而是從課程的整體內容出發，把課程中的多個知識點組合在一起，方便學生比較和對各知識點特點的掌握。調理電路部分的實驗項目是在前面綜合性項目的基礎上產生，所有的調理電路均考慮工程實際應用需要，提出明確的技術指標，而不是簡單的原理驗證[6]。計算機檢測控制部分使用NI(美國國家儀器)和研華的PCI、USB等總線采集卡，引入虛擬儀器的概念，與目前的實際工程應用相對應。同時，在這部分實驗項目設計時著重考慮學生對所學專業多門課程知識的融會與應用，而不僅只是局限于傳感器與檢測技術一門課程。提高部分實驗項目不列入實驗教學課時，學生可以在課外選做[7]。根據實際的教學計劃，這幾部分的內容也可進行多種組合和刪減。

圖3 自主類實驗項目組成

2.2 “直流隨動系統學習機”二次開發

實驗室現有的“XSJ-2直流隨動系統學習機”結構合理、組成元件具有較強代表性，在近些年的實驗教學中發揮了很好的作用，但是沒有數字化功能。隨著計算機控制、網絡化控制、虛擬儀器等新的具有明確實際工程應用背景的課程內容的不斷加強，對實驗教學設備數字化功能、網絡化功能的要求越來越明確。隨動系統實驗裝置的數字化改造方案如圖4所示[8]。

圖4 隨動系統數字化改造組成框圖

數據采集模塊選用美國國家儀器(NI)公司的USB總線數據采集卡USB-6009。調理電路部分主要完成把反饋電位器輸出、測速發電機輸出電壓范圍調理為+5 V ～-5 V，以及調整USB-6009輸出的模擬電壓控制信號，達到方便采集卡采樣和下一級的功率放大電路工作的目的。數據采集模塊通過USB接口由計算機供電，調理電路從XSJ-2直流隨動系統學習機實驗面板直接取電，實驗裝置不需再另外添加電源[9-10]。轉速給定、位置給定以及控制算法等功能的實現，均可在計算機中通過軟件完成。該裝置的軟件部分采用美國國家儀器公司的圖形化編程語言LabVIEW7.0開發[11]。

經過數字化改造后的隨動系統實驗裝置，由于我們沒有改變原有實驗設備任何的功能和結構，所以該實驗裝置除了可完成原有的開環控制系統、直流電機轉速控制、位置隨動等典型模擬實驗內容外，還添加了直流電機轉速計算機控制實驗、數字式位置隨動系統實驗、網絡化控制實驗等典型數字化、網絡化的實驗內容[12]。

3 結束語

新形勢下，如何切實有效提升實驗教學環節的質量，一切為了學生是我們每個教育工作者都要面對的任務。雖然困難不少，但是我們相信設計開發符合時代發展需求的綜合性設計性實驗項目，讓它適應實驗教學發展的要求為教學服務，是一項具有很大操作空間的新課題。

[1] 侯震，張潔.挖掘整合實驗室資源開發綜合型設計性實驗[J].實驗技術與管理，2010，27(3)：121-123.

[2] 王光明，張玘.測控技術專業實驗教學改革[J].實驗室研究與探索，2008，27(3)：106-108.

[3] 劉曉文，薛雪，陳佳真.電路實驗立體化教材的建設與實踐[J].實驗技術與管理，2013，30(12)：18-21.

[4] 胡壽松.自動控制原理 [M].4版.北京：科學出版社，2001.

[5] 賽爾吉歐·佛朗哥(美).基于運算放大器和模擬集成電路的電路設計 [M]. 3版.西安：西安交通大學出版社，2004.

[6] 孫建民，楊清梅.傳感器技術[M].北京：清華大學出版社，2007.

[7] 松井邦彥(日).傳感器實用電路設計與制作[M].梁瑞林,譯.北京：科學出版社，2005.

[8] 清華大學科教儀器廠.XSJ-2型小功率隨動系統學習機實驗指導書[Z].1998.

[9] 楊樂平，李海濤，楊磊. LabVIEW程序設計與應用 [M].2版.北京：電子工業出版社，2005.

[10] 王超，李可，杜奔新.虛擬儀器技術在實驗中應用的研究[J].實驗技術與管理，2013，30(12)：105-107.

[11] 王偉，孟祥貴，安寅.基于工程教育的實驗教學模式探索[J].實驗技術與管理，2013，30(10)：172-174.

[12] 高金源.計算機控制系統[M].北京：高等教育出版社，2003.