“自控原理”虛實結合實驗平臺設計與應用

胡 燕， 黃 霞， 張冰洋

(1. 中南民族大學 電子信息工程學院, 智能無線通信湖北省重點實驗室, 湖北 武漢 430074；2. 中南民族大學 實驗教學中心, 湖北 武漢 430074)

“自控原理”虛實結合實驗平臺設計與應用

胡 燕1， 黃 霞2， 張冰洋2

(1. 中南民族大學 電子信息工程學院, 智能無線通信湖北省重點實驗室, 湖北 武漢 430074；2. 中南民族大學 實驗教學中心, 湖北 武漢 430074)

針對目前高校“自動控制原理”實驗教學中存在的問題,基于CDIO工程教育理念設計和應用“自動控制原理”課程虛實結合的實驗平臺。實驗平臺結合軟件仿真實驗和硬件實驗的優勢,集模型仿真、電路仿真和硬件電路系統調試為一體,既可以完成硬件實驗，又可以完成軟件仿真實驗,并且可以將二者相結合,實現虛實相結合的實驗。該虛實結合實驗平臺的使用加深了學生對自動控制理論基本原理和綜合系統分析方法的理解,有效地提高了學生的綜合分析和動手能力。

自動控制原理； CDIO； 實驗平臺； 虛實結合

目前“自動控制原理”課程的實驗教學一般采取兩種模式,一種是基于Matlab 的軟件仿真實驗模式,另一種是基于電子線路的控制系統的硬件實現模式。兩種模式各有優缺點,軟件仿真實驗模式能夠靈活構建實驗系統,便于進行控制系統的原理驗證和設計,但是軟件仿真不接觸實際器件,容易造成學生對控制系統的感性認識不足,也不能鍛煉學生的硬件調試能力,并且軟件仿真實驗是在理想情況下進行,不能完全反映實際系統的故障和異常運行情況,導致學生缺少對實際問題的分析及對控制系統的切實體會[1-2]。硬件實現模式能鍛煉學生的動手實踐能力，但由于系統構建和測試所耗時間長,會導致學生專注于電路的實現,忽視對所搭建的控制系統實現方式和實驗結果的分析和思考;實驗中經常會受到元件參數不穩定的影響或設備條件的限制,使實驗值和理論值不相吻合或誤差過大,容易導致學生產生錯誤的理解；并且某些內容無法實驗,或實驗結果不直觀。因此,設計一種虛實結合的實驗平臺,結合軟件模式和硬件模式的優點,對實驗平臺和實驗項目進行合理設計,使學生通過該平臺進行“自動控制原理”課程實驗后,學生既能實現對控制理論的思考,也能獲得對控制系統的具體實現和調試的切身體會,在實驗過程中實現對課本知識的理解與升華,提高學生的工程實踐應用能力。

1 虛實結合實驗平臺功能設計

1.1 功能集成化設計

虛實結合實驗平臺采用集成化設計思路,結合了電路設計、數據采集、數據處理和虛擬儀器技術,既提供實體實驗所需的硬件電路,又提供仿真軟件和虛擬儀器；既可以完成硬件實驗模式,又可以完成軟件仿真實驗模式,并且可以將二者相結合,實現虛實結合的實驗。

該虛實結合實驗平臺主要由操作臺和實驗臺組成。實驗臺提供電路模塊等,實驗過程中根據實驗需要可以進行靈活組合、構成自動控制系統的各種典型環節和系統。如果要進行硬件實驗,實驗時另配備信號發生器、示波器等儀器儀表。實驗臺內設計有數據處理單元,用于數據采集、輸出以及與上位機的通信。虛實結合實驗平臺配備PC機作為操作臺,PC機安裝仿真軟件Matlab和虛擬電子工作平臺Multisim,可以進行控制系統的模型仿真和電路仿真,而且可以基于LabView設計虛擬儀器如信號發生器、虛擬示波器等作為控制系統所需的信號源和測試儀器,形成集模型仿真、電路仿真和硬件電路系統調試、軟件硬件虛實結合為一體的實驗教學模式[3-5]。

1.2 開放式設計

該實驗平臺可以滿足不同層次要求的實驗,自動控制原理課程的基本和綜合實驗可由平臺提供的硬件電路模塊和實驗對象完成；設計型、創新型實驗可通過虛擬仿真實驗完成。該實驗平臺可以滿足實驗的靈活性和有效性的要求,同時系統的硬件、軟件設計,充分考慮了開放型、研究型實驗的需要,可自行設計實驗。為保證設計的科學性和實效性,對上位機界面及工具欄中按鈕的位置和組合方式等根據應用測試的使用效果進行了多次調整[6-8]。

1.3 模塊化設計

實驗臺布局采用模塊化布局設計,對實驗功能區進行合理分配。接線簡單,易于操作。實驗項目和內容更改方便,易于實現擴展功能。

2 虛實結合實驗平臺結構設計

該虛實結合實驗平臺結構見圖1。該虛實結合實驗平臺由上位PC微機(含實驗系統上位機應用軟件)、實驗臺、USB通信線等組成。實驗臺由計算機接口板、電路實驗板、實物對象實驗板組成。

圖1 虛實結合實驗平臺結構

計算機接口板內含數據采集卡,通過USB口與上位PC進行通信。數據采集卡具有8路12位A/D輸入通道和2路12位D/A輸出通道。與上位機一起使用時,可同時使用其中2個輸入和2個輸出通道。結合上位機軟件,用以實現虛擬示波器、信號發生器以及數字控制器功能。

實驗板主要由電源單元、信號源單元、元器件單元、非線性單元以及模擬電路單元等組成。電源包括電源開關、保險絲、+5 V、-5 V、+15 V、-15 V、0 V以及1.3 V～15 V可調電壓的輸出。信號源單元可以產生頻率與幅值可調的周期階躍信號、周期斜坡信號、周期拋物線信號以及正弦信號,并提供與周期階躍、斜坡、拋物線信號相配合的周期鎖零信號。元器件單元提供實驗所需的電容、電阻與電位器,另提供插接電路供放置自己選定大小的元器件。非線性單元用于構成不同的典型非線性環節,如具有死區特性或間隙特性的非線性環節模擬電路、具有繼電特性的非線性環節模擬電路、具有飽和特性的非線性環節模擬電路。模擬電路單元為由運算放大器與電阻、電容等器件組成的模擬電路單元；其中1個為倒相電路,實驗時通常用作反相器,其余8個模擬電路單元內都有用場效應管組成的鎖零電路和運放調零電位器。

實物對象實驗板提供了直流電機閉環調速系統、溫度PID控制系統、單水箱液位控制系統等實物系統,學生可在實驗裝置上進行工程實踐[9-11]。

3 虛實結合實驗平臺應用舉例

采用虛實結合實驗平臺進行“自動控制原理”課程的實驗時,利用實驗臺搭建模擬電路,連接成典型環節或系統,實驗臺和操作臺的計算機通過A/D、D/A轉換卡和數據線進行通信,由操作臺計算機產生各種典型輸入信號,經過A/D轉換后送給模擬電路；模擬電路輸出信號經過D/A轉換后送到計算機,由上位機上的虛擬示波器來觀察實驗結果。即利用計算機、A/D、D/A 接口卡并配有相應的實驗軟件,實現信號發生、數據采集、波形記錄及顯示功能。

圖2 比例積分電路

學生利用虛實結合實驗平臺上的模擬電路單元[9-12]搭建電路,如圖3所示。基于LabView 設計的上位機軟件控制數據采集卡的D/A輸出通道提供控制系統的激勵信號。本實驗中數據采集卡的D/A輸出端口O1輸出階躍信號作為比例積分環節的輸入,電路的輸出與數據采集卡的A/D輸入端口I2連接,經過處理后的數據在上位機的虛擬示波器上顯示，即實驗臺搭建的模擬電路連接是基于LabVIEW 的信號發生器和虛擬示波器,組成控制系統進行測試。比例積分典型環節的激勵與響應的波形如圖4所示。

圖3 實驗平臺搭建的比例積分電路

圖4 比例積分激勵與響應波形

在進行實驗時,首先要求學生掌握典型環節即比例積分模擬電路的構成及其動態特性,根據實驗中給定的控制系統方塊圖或傳遞函數,設計出控制系統的模擬電路圖,然后動手在實驗臺搭建模擬電路來實現實際的控制系統,通過操作臺PC機中的虛擬信號發生器提供系統的激勵,利用虛擬示波器觀察系統響應，即利用基于LabVIEW 的信號發生器和虛擬示波器組成自動控制實驗系統。學生通過虛擬結合實驗平臺,在實驗過程中通過搭建電路可以對控制系統的構成有一個感性的認識；基于LabView的虛擬儀器代替了實際信號發生器和示波器的作用,實驗過程中無需過多調試儀器,實驗過程變得簡單,使學生可以把重點放在對實驗結果的分析上。

4 虛實結合實驗平臺應用分析

4.1 卷面考試成績檢驗分析

2013/2014學年學生實驗班和參照班的考試成績對比分析。自變量為學習條件,包括采用虛實結合實驗平臺(實驗組)和傳統實驗即純實物實驗(控制組)兩種條件,也即本研究操控的變量或原因變量,因變量是不同實驗條件下學生的期末學習成績,也即結果變量。

采用統計軟件SPSS17.0對2013/2014學年實驗組和控制組學生的考試成績平均數差異顯著性進行獨立樣本t檢驗,結果發現兩組學生的學業成績的差異顯著,t(88)=5.11,p=0.03<0.05,虛實結合實驗平臺條件下學生的學習成績顯著高于傳統實驗即純實物實驗條件下學生的學習成績,如表1所示。

表1 2013/2014學年實驗組和控制組獨立樣本t檢驗

注:p表示不同組別被試間差異，p<0.05表示差異顯著，p<0.01十分顯著,p<0.001特別顯著。

從卷面試題反映的理論知識的清晰度方面看,采用虛實結合實驗平臺的實驗班學生強于普通班學生；從工程實踐的角度可以看出,在完成系統設計的時間方面,實驗班學生的完成實驗時間短于普通班學生；在搭建系統電路的質量方面,實驗班學生的電路質量高于普通班學生；在調試系統時間方面,實驗班學生的時間短于普通班學生。

4.2 學生體驗和評價

傳統的儀器使用起來比較繁瑣，而且往往效率低下,從功能電路的設計、焊接、調試及組合到整體測試往往經歷比較繁瑣的過程,而且函數信號發生器和示波器的使用比較麻煩,尤其是示波器的使用對學生而言是有難度的,探頭的質量要求高，而且昂貴,使用不當還容易損壞,示波器的參數設置和相關調整也不是簡單一兩步就能調好完成的,而且得到的波形效果往往不盡如人意。

仿真常用在理論設計和一定程度上驗證電路的可行性方面,仿真結果常常無法保證設計電路的功能可以在實際的電路中反映出來,也就是實際電路和設計電路存在偏差。在虛實結合實驗平臺系統中,學生可以采用虛實結合的實驗方式,將設計的電路用實際電路搭建起來,采用基于LabView的虛擬儀器能馬上驗證電路的正確性,不僅解決了純軟件設計仿真與實際電路有誤差的不可靠性,也減少了傳統儀器操作的麻煩,同時解決了因應用軟件而忽略動手能力培養的問題,因為虛擬儀器Labview所依賴的正是需要學生動手完成的電路。

4.3 CDIO培養模式的體現

CDIO工程教育模式“做中學”的理念和方法適合工科教學過程的各個環節。CDIO代表構思(Conceive)、設計(Design)、實現(Implement)和運作(Operate),虛實結合實驗平臺的設計和應用是在CDIO模式下進行的探索研究。

虛實結合實驗平臺將虛擬儀器技術引入實驗教學中,利用虛擬儀器能夠方便快捷地完成系統的測試和功能分析。相對傳統實驗,虛實結合實驗平臺不僅僅鍛煉了學生的實踐動手能力,還引導學生在實驗過程中思考問題、解決問題,體現了CDIO模式“做中學”的理念和方法。CDIO “設計”理念一直貫穿于虛實結合實驗平臺的設計研究中。“自控原理”虛實結合實驗平臺設計的中心思想是以學生為中心,引導學生“主動學習”,在系統設計過程中充分提供給學生主動學習和動手實踐的資源和工具,引導學生思考和研討。通過整合虛擬實驗和真實實驗,創造更多的機會讓學生動手實踐和全身心投入學習,利于培養學生分析問題和解決問題的能力。

“自控原理”虛實結合實驗平臺采用了課前、課中、課后的混合式學習應用模式,體現了CDIO“構思”、“設計”、“實現”和“運作”等典型環節的思想。本課程的實驗教學體現了CDIO模式的“實現”及“運作”環節。要求學生在實驗前使用虛擬實驗進行實驗預習,在進行硬件實驗前能夠掌握有關系統參數的調節范圍和規律,避免實驗的盲目性和可能出現的硬件電路損壞,能訓練學生的儀器使用、線路搭建的能力和思維邏輯性；在實驗過程中,通過小組合作促使學生協作學習,發動小組討論,加以教師引導,促進學生分析實驗結果，并對比理論結果找出差異、分析原因；課后利用虛擬實驗體驗實驗過程,促進學習者反思和深度學習,這些都利于培養學生實踐能力和應用能力。

5 結束語

本文設計的虛實結合實驗平臺,將軟件仿真實驗和硬件實驗相結合,設計了一種功能集成化、設計模塊化、開放的自動控制系統實驗臺,形成集模型仿真、電路仿真和硬件電路系統調試,軟件硬件虛實結合為一體的實驗教學模式,基于CDIO工程教育理念設計實驗平臺、設計實驗項目和對學生進行實驗教學,有利于提高學生自動控制理論分析設計和電路系統調試的綜合能力。

References)

[1] 燕濤,朱莉, 翁智.“自動控制原理”實驗教學改革探索與實踐[J].實驗室研究與探索,2013,32(11):389-392.

[2] 夏靜萍,王瑛.自動控制原理實驗教學探究[J].實驗室研究與探索,2013,32(12):184-189.

[3] 榮軍,黃帥丁.簡易自動控制原理實驗系統設計[J].微計算機應用,2011,32(8):67-73.

[4] 孫斌,趙玉曉,張新娜.基于虛擬儀器的自控原理實驗教學軟件開發[J].實驗技術與管理，2012,29(5):105-108.

[5] 劉瑞歌,宋鋒.基于虛擬儀器技術的自動控制原理教學實驗平臺[J].自動化與儀器儀表,2011(4):171-173.

[6] Graham C Goodwin,Adrian M. Medioli.Emulation-Based Virtual Laboratories: A Low-Cost Alternative to Physical Experiments in Control Engineering Education[J]. IEEE Transactions on Education,2011,54(1):48-54.

[7] Clara M Ionescu,Ernesto Fabregas.A Remote Laboratory as an Innovative Educational Tool for Practicing Control Engineering Concepts[J].IEEE Transactions on Education, 2013,56(4):436-442.

[8] Santana M Ferre. Remote Laboratories for Education and Research Purposes in Automatic Control Systems[J].IEEE Transactions on Industry Informatics,2013,9(1):547-556.

[9] ACCC-IV 控制技術:信號與系統實驗平臺[EB/OL].(2014-12-03)[2015-05-18].http://www.zjqiushi.com.

[10] 孫大衛.一種典型自動控制原理實驗教學設備研究[J].實驗技術與管理,2011,28(7):79-81.

[11] 馬志明.基于LabVIEW的虛擬自動控制實驗系統開發[D].西安:西北大學,2013.

[12] 劉光磊.基于LabviEw的水箱液位實驗裝置遠程控制系統的開發與應用[D].長沙:中南大學,2011.

Design and application of virtual-actual combination experimental platform for Automatic Control Principle course

Hu Yan1， Huang Xia2， Zhang bingyang2

(1. Hubei Key Laboratory of Intelligent Wireless Communications, College of Electronics and Information, South-Certral University for Nationalities, Wuhan 430074, China; 2. Expermetal Teaching Center, South-Certral University for Nationalities, Wuhan 430074, China)

Aiming at the existing problems of Automatic Control Principle course in experimental teaching in colleges and universities, the virtual-actual combination experimental platform for Automatic Control Principle course based on CDIO engineering education concept is designed and applied. Combining the advantage of software simulation and hardware experiment, the experimental platform sets model simulation (MATLAB), circuit simulation (Multisim) and debugging of hardware circuit system as a whole. It can perform the hardware experiments and the software simulation, and it can realize the virtual-actual combination experiments. The application of virtual-actual combination experimental platform makes students understand deeply the basic principle of automatic control theory and analysing method of comprehensive system, and improves effectively students’ comprehensive analysis and practice ability, achieving the effect of experimental teaching.

automatic control principle; CDIO; experimental platform; virtual-actual combination

2015- 05- 22 修改日期：2015- 07- 10

中南民族大學中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(CZY13001)

胡燕(1972—)，女，湖北武漢，博士,副教授，研究方向為控制科學與工程

E-mail：mail:huyan1106@126.com

張冰洋(1986—)，男，湖北武漢，碩士，助理實驗師.

E-mail：witzby@qq.com

TP391.9；G642.423

A

1002-4956(2015)12- 0084- 05