基于“教學學術”理念的倒立擺控制系統設計

張秀玲等

摘要：以三級倒立擺控制系統為研究對象，在LabVIEW平臺結合MATLAB設計了自動控制虛擬實驗系統并應用于“自動控制理論”的教學，使學生能直觀的領會和理解自動控制原理課程的主要內容，對調動學生的學習積極性以及提高學生的實驗興趣都有積極促進作用；為進一步拓展學生的科學研究能力，在課堂教學中引入“教學學術”理念，將教學任務視為科研任務，基于該理念開發設計了三級倒立擺控制系統，采用基于虛擬儀器代替傳統實驗儀器，減少了硬件設備需求，降低了實驗系統的成本，整個過程促進了“教學學術” 理念在高等教育的普及推廣，為提高素質教育做了有益嘗試。

關鍵詞：教學學術；MATLAB；LabVIEW；虛擬實驗；倒立擺

中圖分類號：G640文獻標識碼：A文章編號：10054634（2015）05003505

0引言

LabVIEW是美國國家儀器公司開發的一種圖形化編程語言，采用圖標來創建程序代碼、數據流向用連線表示，是實現復雜系統仿真、通用編程、測量、數據分析等的理想語言。LabVIEW程序是由一個或者多個虛擬儀器（VirtualInstrument，Ⅵ）組成，Ⅵ的外觀和操作通常是模擬了實際的物理儀器，每個Ⅵ都包括了前面板、程序框圖和圖標三部分。前面板是Ⅵ的圖形化用戶界面，是進行人機交互的窗口，模擬了物理儀器的控制面板，其包含旋鈕、開關、按鈕、圖形、指示燈等圖標，如圖1所示。程序框圖是定義Ⅵ功能的圖形化源代碼，由G語言的端口、圖框、節點和連線構成，是實際可執行的程序，框圖是由低級Ⅵ、常量、內置函數及程序執行控制結構組成，用連線來表示程序執行過程中各對象之間的數據流并定義數據流向，用端口來實現與前面板的控制和顯示傳遞數據，用節點來實現函數的功能調用，用圖框來實現程序控制命令的結構化，如圖2所示。

“自動控制理論”是自動化專業很重要的一門專業基礎課，教學目的是通過系統學習使學生掌握自動控制系統的分析與設計基本方法，為設計和分析調試復雜工業自動控制系統奠定理論基礎。自動控制理論實驗教學是檢驗與驗證理論教學的必要環節，通過實驗操作訓練，學生可以加深對所學書本知識的理解，提高動手能力，鍛煉和培養學生發現、分析和解決工程實踐問題的能力。隨著高等教育大眾化，目前存在實驗設備和實驗場地有限，實驗設備老化以及實驗指導師資不足等問題，為解決教學資源不足問題，基于MATLAB的虛擬實驗系統開發，用軟件仿真模擬了實際硬件的全部功能。雖然解決了目前自動控制實驗中的一些問題，并在一定程度上提高了目前“自動控制理論”教學效果。但是，MATLAB的界面開發能力較差，無法實現與硬件的直接聯系，這些虛擬實驗系統僅限于軟件模擬，不能鍛煉學生的動手能力和硬件調試能力。隨著虛擬儀器技術的出現和計算機技術的發展，采用基于NI公司開發出的LabVIEW設計虛擬實驗系統，結合數據采集卡，就能夠實現既可以在課堂上進行模擬實驗，又能結合硬件電路設備進行硬件實驗的綜合實驗設計，可以顯著提高教學效果和實驗效果，但LabVIEW 在控制算法實現方面較薄弱，限制了應用程序的快速開發。

鑒于LabVIEW和MATLAB的特點和自動控制理論實驗的教學現狀1，[WW）]2：，有必要將二者有機結合，采用LabVIEW 和MATLAB相結合的方法，實現自動控制虛擬實驗系統的研發設計。

1控制系統設計

1.1驗證性實驗系統設計

本設計涉及的用戶管理程序由三部分組成：登錄系統、主程序和輸出結果。

主程序是設計關鍵，包含所有常規自動控制理論虛擬實驗的程序，其程序框圖如圖3所示。主界面如圖4所示。通過驗證性實驗系統的設計與調試，可以讓學生深刻體會常規實驗需要實驗裝置和各種元件的選擇與人工進行的元件線路連接，自動化程度低，不利于參數調整，通過這種軟件虛擬實驗系統的設計，學生從感性上深深體會到了其靈活性和先進性，為今后深入應用學習專業課奠定了現代仿真技術基礎，激發了學生學習的主動性和開發新系統的興趣。

1.2可視化系統設計原理

三級倒立擺可視化三維仿真是在LabVIEW環境下，通過LabVIEW和MATLAB的混合編程來實現的。MATLAB具有強大的計算、繪圖和數據處理等功能，它含有非常豐富的工具箱，廣泛應用在數值分析、圖像處理、動態系統仿真、信號處理、自動控制等領域，但是MATLAB在用戶界面開發方面的功能遠不如LabVIEW，而將二者結合起來進行混合編程，可以充分發揮利用兩種應用軟件的優點。

LabVIEW與MATLAB混合編程的方法有很多種，本設計采用通過LabVIEW的MatlabScript節點設計MATLAB程序代碼，該節點可以直接在LabVIEW環境下運行編好的MATLAB程序，充分發揮兩者的優勢。

1.3引入“教學學術”理念

傳統觀念中，大學教學似乎是一種簡單的知識傳遞過程，重于照本宣科式的講述而忽視了與學生的互動交流。能否將“教學學術”理念引入教學，讓教師將課堂教學當做科研工作進行呢？能否象做科研一樣做教學工作呢？筆者做了有意的嘗試，即在控制理論開課的第一節課上，首先從宏觀角度讓學生知道這門課程在本專業的地位和作用，讓學生明確為什么要學？怎么學？最后要達到一個什么目標？具有何種工程實踐能力？然后在授課過程中將一個非常有趣的倒立擺裝置先介紹給學生，讓他們意識到這是一個在復雜機器人、宇航裝置中普遍存在的裝置，該裝置衡不穩定，通過控制理論這門課的學習，只要能利用所學知識設計一個倒立擺控制系統實現其穩定控制，就達到了這門課的學術要求。這樣學生將在老師指導下分階段完成系統建模、穩定性分析及整個控制系統設計與仿真調試，真正體驗到了理論指導實踐的過程，當“教學”成為“學術”，成為解決實際問題的途徑，老師有教學成就感，學生也體驗到通過學習而解決實際問題的樂趣，調動學生的求知欲和參與科研的快樂，教學從傳統簡單的知識傳遞轉變為一個具有豐富內涵和無限探究空間的學術領域。

1.4三級倒立擺控制系統開發

1） 三級倒立擺的三維場景建立。三級倒立擺的三維模型是采用虛擬現實（Virtual Reality）技術建立的，首先采用SolidWorks制作好不包括擺桿的倒立擺三維模型，文件格式為VRML（Virtual Reality Modeling Language），然后利用LabVIEW 8.6 自帶的三維控件工具箱將此VRML文件導入，如圖5所示。再在這個三維模型基礎上添加擺桿，進一步完善豐富三級倒立擺虛擬場景，如圖6所示。

2） 三級倒立擺控制系統的可視化仿真系統設計。利用LabVIEW中子Ⅵ的相關知識，可以將倒立擺控制的可視化設計為一個整體的系統，系統中高一級的Ⅵ可以調用低一級的子Ⅵ，這樣可以在一個整體的主界面中任意打開具有某一功能的子Ⅵ并運行，方便用戶使用，設計脈絡清晰，界面簡單美觀。為配合創新實踐教學，提高學生的科學研究與研發能力，設計了倒立擺虛擬實驗系統，主界面如圖7所示，控制效果動畫如圖8所示。限于篇幅詳細設計過程請參見作者發表的學術論文。在此只是通過設計的結果強調“教學學術”理念的含義，既學以致用，理論可以指導實踐的新型教改思想，而不再是以簡單傳授為目的，像科學研究那樣做教學工作。

由圖8可知，可視化仿真中不僅可以看到可視化的虛擬模型，還可以對對象進行操作控制，比起僅有仿真曲線圖的環境，倒立擺三維可視化仿真提供了一個較為逼真的三維視圖，并且可以多方向多角度地觀察控制過程中擺桿的擺動以及小車受控制器控制的整個移動過程。

2知識點總結

設計任務的完成與所學的自動控制理論內容的關系如下。倒立擺建模利用自動控制理論第2章“控制系統數學模型”完成；倒立擺裝置的性能分析用第3章的時域法、第4章的復域法和第5章的頻域法均可完成；控制器設計可以利用第6章的校正法實現；設計過程的調試除了理論分析還要利用計算機仿真技術，通過設計與分析學生也體會到了計算機輔助設計的重要性，拓展了MATLAB與LabVIEW的應用。看到師生共同努力設計的系統，學生學到了知識、歷練了科研能力；老師傳播了知識，收獲了希望，提高了工作熱情。

3結束語

在大學教學中引入“教學學術”理念，將專業課的教學過程當做科研任務完成，教師能充分激發其學術進取意識，促進領域前沿知識的自我學習與傳播，引領學生學以致用，掌握運用理論解決實際問題的能力；學生可以讓其從被動學習轉換為主動學習，帶著科研任務去學習會很自覺地以解決科學問題為目標去搜集資料、團結合作、學以致用。從高等教育大環境看，這種教學方式的改變，可以解決“教學”與“科研”的矛盾，會充分調動大學教師教學的熱情，鑒于教學過程的實用性、趣味性與競爭性，將大學生吸引到大學課堂，緩解了大學生逃課現象，讓學生們在充滿陽光雨露的課堂汲取知識，為將來貢獻社會奠定知識儲備，極大地提高學生的學習興趣、激發學生自主學習的積極性、培養學生的科學探索精神。

學生通過整個學習、探索與設計過程，體驗到付出的艱辛與收獲的喜悅，教師也在整個過程中體驗到教學的快樂，師生間的互動交流也順其自然在教與學的過程中蔚然成風。

參考文獻

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