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摘要：闡述Lab VIEW和Multisim軟件建立虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)控制工程基礎(chǔ)課程教學(xué)方法和運(yùn)行機(jī)制進(jìn)行改革。此平臺(tái)操作靈活，易于擴(kuò)展，可有效鏈接理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：控制工程，虛擬仿真，實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

0  引言

我校測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)2019  年獲批國(guó)家級(jí)一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，《控制工程基礎(chǔ)》作為該專業(yè)的一門核心專業(yè)課，其主要任務(wù)是使學(xué)生獲得控制系統(tǒng)的概念、系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、特性分析等方面的專業(yè)技能。通過(guò)搭建模擬電路，討論電路參數(shù)對(duì)系統(tǒng)特性的影響，然而控制系統(tǒng)特征參數(shù)和電路參數(shù)之間又存在復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，在短短的兩學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生很難從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象映射到理論知識(shí)中，依托第二批新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目對(duì)該課程從教學(xué)方法與運(yùn)行機(jī)制等方面進(jìn)行了深入改革。

1  教學(xué)方法改革

基于數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。測(cè)控技術(shù)與儀器是光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、控制等多學(xué)科交叉而形成的一門高新技術(shù)密集型專業(yè)。測(cè)控專業(yè)必須順應(yīng)形勢(shì)，融合信息和物聯(lián)網(wǎng)元素，重構(gòu)專業(yè)知識(shí)課程體系。在教學(xué)改革的過(guò)程中，引入現(xiàn)代化教學(xué)手段，將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)演示與課堂教學(xué)相結(jié)合，與傳統(tǒng)的硬件操作實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，建設(shè)了與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。運(yùn)用Lab VIEW強(qiáng)大的圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，根據(jù)控制工程課程的函數(shù)模型，建立程序框圖開(kāi)發(fā)基于數(shù)學(xué)模型分析的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，大尺度的依據(jù)學(xué)生的要求調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)觀察實(shí)驗(yàn)想象，成為課堂教學(xué)中教師理論教學(xué)的得力助手，可將虛擬仿真教程嵌套在授課PPT中，教師可結(jié)合實(shí)際的教學(xué)需求，最大限度地發(fā)揮虛擬元器件資源的優(yōu)勢(shì)，課堂上教師只需要選擇相應(yīng)的模塊，改變參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的連續(xù)觀測(cè)，教學(xué)課件更加靈活多變，增強(qiáng)課堂教學(xué)的趣味性，讓同學(xué)們更加直觀地理解所學(xué)內(nèi)容，從而提高整體教學(xué)質(zhì)量。基于模擬電路設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。隨著一流課程改革的推進(jìn)，線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)也隨之以更多元化的形式孕育而生。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)隨著設(shè)備元器件的更新速度太多，經(jīng)常跟不上社會(huì)發(fā)展的節(jié)奏，所學(xué)的知識(shí)脫離實(shí)際應(yīng)用，然而Multisim可虛擬電子元器件以及各類電子電工儀表，通過(guò)軟件將元器件和儀器融為一體，能滿足中小規(guī)模的模擬、數(shù)字邏輯以及混合電路的仿真需要[1]。根據(jù)控制工程系統(tǒng)模型的多樣性，設(shè)計(jì)不同形式的模擬電路，追求數(shù)學(xué)模型到模擬電路的轉(zhuǎn)型，利用其便利的虛擬示波器完成波形的觀察，數(shù)據(jù)的記錄和分析，與實(shí)際硬件實(shí)驗(yàn)相比，暫時(shí)回避學(xué)生在線上實(shí)驗(yàn)中示波器、信號(hào)源使用難的問(wèn)題，電路復(fù)雜接線錯(cuò)誤燒壞芯片的問(wèn)題，把知識(shí)先掌握，在仿真電路可以任意的改變電路參數(shù)，分析系統(tǒng)性能的變化，得出正確的結(jié)論，在線下硬件實(shí)驗(yàn)中我們?cè)賮?lái)解決信號(hào)源、示波器與實(shí)驗(yàn)電路連接使用的技巧，解決目前再實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常因?yàn)椴恢缹?shí)驗(yàn)想象，盲目的調(diào)整的過(guò)程，往往不知道學(xué)生到底是知識(shí)點(diǎn)沒(méi)掌握，還是儀器設(shè)備不會(huì)使用。實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合，既是對(duì)課堂教學(xué)的補(bǔ)充，也為下線實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)，而后在進(jìn)行下線實(shí)驗(yàn)時(shí)，更能得心應(yīng)手，降低實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損壞率的同時(shí)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。圖1為虛擬仿真與課程教學(xué)結(jié)構(gòu)圖。以Lab VIEW虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)促理論教學(xué)，以Multisim虛擬平臺(tái)建設(shè)促實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革模式，體現(xiàn)了現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)經(jīng)典理論課程的信息融合。將虛擬仿真引入課程教學(xué)過(guò)程是控制工程課程的必要教學(xué)改革手段。

2  實(shí)驗(yàn)改革方案設(shè)計(jì)

基于Lab VIEW的虛擬仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)。根據(jù)課程教學(xué)的要求，對(duì)該課程中控制系統(tǒng)的各個(gè)典型環(huán)節(jié)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真、分析各類系統(tǒng)的時(shí)域特性和頻域特性及其穩(wěn)定性研究、控制系統(tǒng)的校正分析等實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)和測(cè)試[2]。平臺(tái)主界面建立樹(shù)形目錄，便于切換不同的學(xué)習(xí)對(duì)象，在后面板利用事件結(jié)構(gòu)的屬性節(jié)點(diǎn)通過(guò)目錄標(biāo)識(shí)符從邏輯上將子VI與主程序鏈接起[3]。利用NI提供的項(xiàng)目管理工具，生成可執(zhí)行文件和程序安裝包，允許用戶在不安裝Lab VIEW開(kāi)發(fā)系統(tǒng)而運(yùn)行該VI，使得該仿真系統(tǒng)脫離第三方軟件，學(xué)生在使用時(shí)更加便捷，降低對(duì)系統(tǒng)配置的要求。以系統(tǒng)時(shí)域分析為例，該章節(jié)在整個(gè)課程中起到承上啟下的作用，而傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中注重用解析法求系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)，數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)較多，理論強(qiáng)，雖然在章節(jié)的最后會(huì)給出系統(tǒng)參數(shù)變化的一個(gè)對(duì)比圖。但學(xué)生仍會(huì)覺(jué)得內(nèi)容枯燥，缺乏興趣，很多學(xué)生望而卻步。教師在課堂上講授二階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)知識(shí)點(diǎn)時(shí)能結(jié)合Lab VIEW虛擬仿真平臺(tái)（圖2），將傳遞函數(shù)建立在后面板，將響應(yīng)曲線展現(xiàn)在前面板，動(dòng)態(tài)、連續(xù)滑動(dòng)調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)，讓學(xué)生觀察響應(yīng)曲線隨固有頻率ω、阻尼比δ的變化現(xiàn)象，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣必然會(huì)大大改善。基于Multisim的虛擬仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)。控制工程基礎(chǔ)開(kāi)設(shè)的硬件實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有：典型環(huán)節(jié)模擬，二階系統(tǒng)的時(shí)域分析、二階系統(tǒng)的頻域分析、系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究。每個(gè)實(shí)驗(yàn)兩學(xué)時(shí)，基本的實(shí)驗(yàn)流程為教師講解實(shí)驗(yàn)原理，介紹分析電路，學(xué)生連線搭建電路，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并記錄數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中學(xué)生要應(yīng)用到信號(hào)源、實(shí)驗(yàn)箱、示波器，實(shí)驗(yàn)設(shè)備多，時(shí)間緊，實(shí)驗(yàn)效果著實(shí)不太理想。若在硬件實(shí)驗(yàn)前增添  Multisim  仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在軟件上快速修改參數(shù)，及時(shí)觀察電路的輸出響應(yīng)，理解不同元件、不同參數(shù)對(duì)整個(gè)電路的影響，可使學(xué)生更好地理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。之后再進(jìn)行硬件電路實(shí)驗(yàn)，可避免學(xué)生盲目的連線不思考，同時(shí)解決了實(shí)驗(yàn)箱本身元器件參數(shù)的局限性。圖3是在Multisim中仿真二階系統(tǒng)性能參數(shù)對(duì)響應(yīng)狀態(tài)的影響，學(xué)生可根據(jù)需求自行隨意更改電路中的電阻、電容參量，理解準(zhǔn)確測(cè)量出上升時(shí)間、超調(diào)量、調(diào)整時(shí)間的仿真結(jié)果，信號(hào)源、示波器界面友好、使用便捷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可反復(fù)觀察，為硬件實(shí)驗(yàn)起到鋪墊作用。《控制工程基礎(chǔ)》虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)從數(shù)學(xué)模型和模擬電路兩個(gè)角度對(duì)控制工程基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行解析，力求尋找一個(gè)中間環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效鏈接，將課程討論的有關(guān)系統(tǒng)的核心要素，即微分方程、傳遞函數(shù)、頻率特性之間的關(guān)系以更加直觀的形式表現(xiàn)出來(lái)（圖4）。

3  結(jié)語(yǔ)

通過(guò)Lab VIEW和Multisim完成系統(tǒng)性能分析，使得教學(xué)方法更具多樣性，課件更加生動(dòng)形象，能最大限度地激發(fā)學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)興趣，有助于激發(fā)學(xué)生的構(gòu)建思維，大力推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)深度融合，具有獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐作用。

參考文獻(xiàn)

[1]  曹海燕,張大維.虛擬仿真軟件在高校電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代信息科技,2020, 4(07):183-185+188.

[2]  陸蘊(yùn)香.基于Lab VIEW的機(jī)械工程控制基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)[J].機(jī)械工程師,2011(01):44-45.

作者：王萌 高飛 王玉峰 宋躍輝 石冬晨 高亮 單位：西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院 西安理工大學(xué)電氣工程學(xué)院