基于系統(tǒng)方法論的測控專業(yè)實驗體系構(gòu)建

楊大志，孫祥國，柳忠彬，張榮華

（四川理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，四川 自貢 643000）

0 引言

四川理工學(xué)院測控技術(shù)與儀器（簡稱測控）專業(yè)創(chuàng)建于2001年，經(jīng)過十多年的不斷發(fā)展，已向社會企事業(yè)單位連續(xù)輸送1000余名畢業(yè)生，得到了用人單廣泛位歡迎和認(rèn)可。但是，隨著現(xiàn)代測控技術(shù)的飛速發(fā)展，以及我國新工科教育理念的深度變革和專業(yè)認(rèn)證的不斷推進，我校測控專業(yè)教育教學(xué)暴露出一些不適應(yīng)專業(yè)發(fā)展，需亟待解決的問題。

以測控專業(yè)實驗為例，目前我校測控專業(yè)實驗課程，比如傳感器、虛擬儀器等實驗多以理論課程配套的形式出現(xiàn)，在實驗項目設(shè)置上相對分散和獨立，缺乏專業(yè)層面的系統(tǒng)性和綜合性，在實驗對象上缺乏足夠的針對性、專業(yè)性，大大影響了實驗教學(xué)效果。因此，構(gòu)建一套具有典型測控對象的測控專業(yè)實驗體系，使學(xué)生既能領(lǐng)會測控基本原理，又能了解實際測控對象和方法，做到理論聯(lián)系實際，提高學(xué)生的實踐和創(chuàng)新能力，提升測控專業(yè)的教學(xué)水平[1]。

1 測控專業(yè)實驗現(xiàn)狀

我校測控實驗室依托四川省高校過程裝備與控制重點實驗室平臺，下設(shè)檢測技術(shù)與虛擬儀器、光學(xué)工程、控制理論與技術(shù)、微型計算機及嵌入式系統(tǒng)技術(shù)4個專業(yè)實驗室。目前，已開設(shè)的專業(yè)實驗如表1所示。

表1 已開設(shè)專業(yè)實驗項目

測控4個專業(yè)實驗室承擔(dān)了傳感器、虛擬儀器概論等9門理論課程的配套或單獨開設(shè)實驗。實驗設(shè)備基本采用專用實驗箱或試驗臺，其實驗對象、測控儀器和設(shè)備、實驗過程和方法與實際工程大都相距甚遠。實驗項目設(shè)置各自為政，課程間聯(lián)系不夠緊密，彼此要么無法銜接，要么存在一定重復(fù)，整個實驗課程體系的針對性、工程性、綜合性和系統(tǒng)性均存在一定不足。為此，需要從工程專業(yè)教育和系統(tǒng)高度重新規(guī)劃、搭建專業(yè)實驗體系，以彌補現(xiàn)行專業(yè)實驗體系的缺憾。

2 測控專業(yè)實驗體系構(gòu)建

2.1 總體思路

測控技術(shù)作為主宰自動化系統(tǒng)的普遍原理，必須與具體的測控系統(tǒng)相結(jié)合才能體現(xiàn)其價值和作用。測控專業(yè)教育作為整個工程教育的一個子系統(tǒng)，遵從工程教育的一般規(guī)律與方法，只有站在整個工程教育的高度來全面系統(tǒng)的思考測控教育改革問題，才能從根本上解決好測控專業(yè)教育改革的本質(zhì)問題。采用系統(tǒng)的工程教育方法論，以實際的工程系統(tǒng)為工程教育內(nèi)容和對象。以系統(tǒng)方法論為指導(dǎo)思想的教學(xué)方法將測控專業(yè)課程的教學(xué)實踐放到具有代表性的實際工程系統(tǒng)當(dāng)中進行，做到理論聯(lián)系實踐，科學(xué)主導(dǎo)工程，循序漸進[2]。

按照系統(tǒng)方法論的觀點對測控專業(yè)實驗進行改革，從根本上改變測控專業(yè)實驗教學(xué)方式和教學(xué)思想，使之與現(xiàn)代測控技術(shù)發(fā)展需求相匹配。系統(tǒng)方法論的觀點將測控專業(yè)實驗放到某個具體的、典型的測控對象中進行，而不是分割教學(xué)、分割實踐。通過多門課程同時實踐一個典型測控對象或研究系統(tǒng)，有助于學(xué)生理解專業(yè)、課程之間的內(nèi)在聯(lián)系，整體和部分之間聯(lián)系，讓學(xué)生在掌握和理解單門課程知識的同時，掌握系統(tǒng)工程的方法[3～4]。

2.2 測控專業(yè)實驗體系設(shè)計

（1）測控專業(yè)實驗平臺的搭建。根據(jù)我校測控專業(yè)實驗室自身特點，并結(jié)合其他高校測控專業(yè)實驗體系，采用武漢德普施公司的DRLab綜合實驗系統(tǒng)+DRVI/DRLink虛擬儀器軟件為測控專業(yè)實驗平臺，解決以往各實驗課程之間關(guān)聯(lián)性、系統(tǒng)性不強的問題。

基礎(chǔ)實驗平臺作為測控類課程如傳感器、檢測技術(shù)、自動控制、虛擬儀器等綜合實驗、實訓(xùn)的公共平臺，包括綜合實驗桌、數(shù)據(jù)采集卡、多路開關(guān)電源、運動控制卡以及便攜式數(shù)據(jù)采集儀，其上可按需配置不同的實驗?zāi)K，具有組裝靈活、切換方便、經(jīng)濟實用等特點。

DRLab軟件平臺的核心是DRVI可重組虛擬儀器實驗平臺和DRLink可重組計算機實驗平臺。DRLink是在DRVI基礎(chǔ)上開發(fā)的可重組計算機控制平臺，具有所有DRVI所具有的優(yōu)點和特色。DRVR/DRLink實驗平臺基于軟件總線和軟件芯片技術(shù)構(gòu)造，采用軟件總線開放結(jié)構(gòu)和COM/DCOM組件的即插即用特性，具有PC結(jié)構(gòu)開放、模塊化、組件化等特點，是面向用戶的可在線編程、調(diào)試和重組的新型虛擬實驗技術(shù)。

軟件平臺提供與LabVIEW、MATLAB等第三方軟件的接口，DRLink可以通過DLL動態(tài)鏈接庫直接調(diào)用第三方程序，既可以發(fā)揮DRLink易用、界面友好的特點，又可以利用世界優(yōu)秀的數(shù)學(xué)計算軟件，從而具備解決復(fù)雜問題的能力。因此DRLink不僅可作為計算機自動控制實驗軟件平臺，也可用于復(fù)雜的工程控制項目。

（2）專業(yè)實驗室規(guī)劃。依據(jù)我校測控專業(yè)培養(yǎng)方案和當(dāng)前測控實驗室現(xiàn)狀，在目前檢測技術(shù)與虛擬儀器、光學(xué)工程、控制理論與技術(shù)、微型計算機及嵌入式系統(tǒng)技術(shù)4個專業(yè)實驗室的基礎(chǔ)上，增設(shè)測控創(chuàng)新實驗室，主要開展以機器人為代表的現(xiàn)代測控一體化的綜合實驗。

同時在原有檢測技術(shù)與虛擬儀器和控制理論與技術(shù)實驗室中，逐步增加以DRLab+DRVI/DRLink為平臺的具有典型測控對象的實驗儀器和設(shè)備，使其在承擔(dān)理論課程配套實驗的基礎(chǔ)上，進一步滿足創(chuàng)新實踐中開放性、創(chuàng)新性實驗需求。

（3）典型測控對象的擬定。擬定表2所示的的典型測控對象。所有典型測控對象均采用工業(yè)級的元器件和零部件，使之接近甚至完全滿足實際的工程項目要求。

表2 擬定的典型測控對象

2.3 測控專業(yè)實驗體系實施方案

考慮到經(jīng)費投入限制和需求緊迫性不同，測控專業(yè)實驗體系建設(shè)按可分步實施。

首先建立測控創(chuàng)新實驗室，搭建基于DRLab+DRVI/DRLink的專業(yè)實驗平臺。并在此基礎(chǔ)上，逐步添置典型測控對象，從而達到開展綜合創(chuàng)新實驗的基本條件和要求。持續(xù)投入，豐富完善各種不同類型的典型測控對象，并逐步升級、更換原有實驗設(shè)備。

3 專業(yè)實驗實例

以雙容水箱控制實驗對象為例，介紹課題組開發(fā)的控制類專業(yè)實驗。如圖1所示，雙容水箱控制實驗對象由水箱本體、液位傳感器、水泵、控制卡和PC構(gòu)成。上下水箱采用兩個帶刻度的透明有機玻璃桶作為容器，既可以直接觀察液位高度，也可以用壓力傳感器測量液位。該實驗?zāi)莒`活地進行過程組態(tài)，實施各種不同的控制方案，可構(gòu)成一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)和雙入雙出系統(tǒng)。由于許多工業(yè)上的多輸入多輸出被控對 象，在整體或局部都可以抽象成雙容水箱系統(tǒng)，因此，該實驗具有廣泛的應(yīng)用背景和較高的研究價值，是一種理想的教學(xué)實驗設(shè)備。

圖1 雙容水箱系統(tǒng)構(gòu)成

本實驗包含測控專業(yè)檢測、控制、計控、儀器等課程知識，具有傳統(tǒng)專業(yè)實驗無法比擬的綜合性和系統(tǒng)性，非常適合于開放性、創(chuàng)新性實驗的開設(shè)。具體可開展：液位壓力傳感器特性測試及標(biāo)定測量實驗，一階液位系統(tǒng)特性測試，一階液位系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計與控制實驗，一階液位系統(tǒng)的模糊邏輯控制器設(shè)計與控制實驗，一階液位系統(tǒng)的其它控制器設(shè)計，二階液位系統(tǒng)的特性測試，二階液位系統(tǒng)的特性測試，二階液位系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計與控制實驗，二階液位系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計與控制實驗，以及其它用戶自定義的創(chuàng)新性實驗。圖2為下水箱電機PID調(diào)節(jié)實驗界面。

圖2 下水箱電機PID調(diào)節(jié)實驗界面

4 結(jié)束語

文中提出的測控專業(yè)實驗體系，集系統(tǒng)性、專業(yè)化、開放性、實踐性、網(wǎng)絡(luò)化、趣味性等特點為一體，有效彌補了傳統(tǒng)專業(yè)實驗教學(xué)中的種種不足，可切實提高實驗教學(xué)質(zhì)量和效果。雖然本文選用的DRLab綜合實驗系統(tǒng)+DRVI/DRLink虛擬儀器軟件未能如期采購到位，但通過測控創(chuàng)新實驗室建設(shè)的前期探索和積極嘗試，在測控及其他相關(guān)專業(yè)學(xué)生在創(chuàng)新實踐、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計上取得了明顯的效果。如果繼續(xù)推進測控專業(yè)實驗平臺建設(shè)，開出更加豐富、實用和富有創(chuàng)新性的專業(yè)實驗項目，把更多的學(xué)生吸引到創(chuàng)新實驗室，對其實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)將起到積極地促進作用。

[1]馮梅琳，何學(xué)文，羅小燕，等.基于CDIO理念的測控專業(yè)實踐教學(xué)創(chuàng)新體系[J].實驗室研究與探索，2014，3.

[2]蔣彥，趙立宏，袁鋒偉，等.基于系統(tǒng)工程教育方法論的測控專業(yè)實驗體系建設(shè)[J].實驗教學(xué)，2012，9.

[3]劉麒.提高測控專業(yè)工程實踐能力的研究與實踐[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報，2015，9.

[4]李杰，孫向陽，何秉高.基于微型生產(chǎn)線的測控專業(yè)實踐教學(xué)體系研究[J].中國教育技術(shù)裝備，2015，22.