基于“教學(xué)學(xué)術(shù)”理念的倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張秀玲等

摘要：以三級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，在LabVIEW平臺(tái)結(jié)合MATLAB設(shè)計(jì)了自動(dòng)控制虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并應(yīng)用于“自動(dòng)控制理論”的教學(xué)，使學(xué)生能直觀的領(lǐng)會(huì)和理解自動(dòng)控制原理課程的主要內(nèi)容，對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性以及提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣都有積極促進(jìn)作用；為進(jìn)一步拓展學(xué)生的科學(xué)研究能力，在課堂教學(xué)中引入“教學(xué)學(xué)術(shù)”理念，將教學(xué)任務(wù)視為科研任務(wù)，基于該理念開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了三級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)，采用基于虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器，減少了硬件設(shè)備需求，降低了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的成本，整個(gè)過(guò)程促進(jìn)了“教學(xué)學(xué)術(shù)” 理念在高等教育的普及推廣，為提高素質(zhì)教育做了有益嘗試。

關(guān)鍵詞：教學(xué)學(xué)術(shù)；MATLAB；LabVIEW；虛擬實(shí)驗(yàn)；倒立擺

中圖分類(lèi)號(hào)：G640文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10054634（2015）05003505

0引言

LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司開(kāi)發(fā)的一種圖形化編程語(yǔ)言，采用圖標(biāo)來(lái)創(chuàng)建程序代碼、數(shù)據(jù)流向用連線(xiàn)表示，是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)仿真、通用編程、測(cè)量、數(shù)據(jù)分析等的理想語(yǔ)言。LabVIEW程序是由一個(gè)或者多個(gè)虛擬儀器（VirtualInstrument，Ⅵ）組成，Ⅵ的外觀和操作通常是模擬了實(shí)際的物理儀器，每個(gè)Ⅵ都包括了前面板、程序框圖和圖標(biāo)三部分。前面板是Ⅵ的圖形化用戶(hù)界面，是進(jìn)行人機(jī)交互的窗口，模擬了物理儀器的控制面板，其包含旋鈕、開(kāi)關(guān)、按鈕、圖形、指示燈等圖標(biāo)，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(yǔ)言的端口、圖框、節(jié)點(diǎn)和連線(xiàn)構(gòu)成，是實(shí)際可執(zhí)行的程序，框圖是由低級(jí)Ⅵ、常量、內(nèi)置函數(shù)及程序執(zhí)行控制結(jié)構(gòu)組成，用連線(xiàn)來(lái)表示程序執(zhí)行過(guò)程中各對(duì)象之間的數(shù)據(jù)流并定義數(shù)據(jù)流向，用端口來(lái)實(shí)現(xiàn)與前面板的控制和顯示傳遞數(shù)據(jù)，用節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)函數(shù)的功能調(diào)用，用圖框來(lái)實(shí)現(xiàn)程序控制命令的結(jié)構(gòu)化，如圖2所示。

“自動(dòng)控制理論”是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)很重要的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，教學(xué)目的是通過(guò)系統(tǒng)學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)基本方法，為設(shè)計(jì)和分析調(diào)試復(fù)雜工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)奠定理論基礎(chǔ)。自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)教學(xué)是檢驗(yàn)與驗(yàn)證理論教學(xué)的必要環(huán)節(jié)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練，學(xué)生可以加深對(duì)所學(xué)書(shū)本知識(shí)的理解，提高動(dòng)手能力，鍛煉和培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決工程實(shí)踐問(wèn)題的能力。隨著高等教育大眾化，目前存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地有限，實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化以及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)師資不足等問(wèn)題，為解決教學(xué)資源不足問(wèn)題，基于MATLAB的虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，用軟件仿真模擬了實(shí)際硬件的全部功能。雖然解決了目前自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)中的一些問(wèn)題，并在一定程度上提高了目前“自動(dòng)控制理論”教學(xué)效果。但是，MATLAB的界面開(kāi)發(fā)能力較差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)與硬件的直接聯(lián)系，這些虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)僅限于軟件模擬，不能鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力和硬件調(diào)試能力。隨著虛擬儀器技術(shù)的出現(xiàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用基于NI公司開(kāi)發(fā)出的LabVIEW設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡，就能夠?qū)崿F(xiàn)既可以在課堂上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，又能結(jié)合硬件電路設(shè)備進(jìn)行硬件實(shí)驗(yàn)的綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，可以顯著提高教學(xué)效果和實(shí)驗(yàn)效果，但LabVIEW 在控制算法實(shí)現(xiàn)方面較薄弱，限制了應(yīng)用程序的快速開(kāi)發(fā)。

鑒于LabVIEW和MATLAB的特點(diǎn)和自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)的教學(xué)現(xiàn)狀1，[WW）]2：，有必要將二者有機(jī)結(jié)合，采用LabVIEW 和MATLAB相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)。

1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)涉及的用戶(hù)管理程序由三部分組成：登錄系統(tǒng)、主程序和輸出結(jié)果。

主程序是設(shè)計(jì)關(guān)鍵，包含所有常規(guī)自動(dòng)控制理論虛擬實(shí)驗(yàn)的程序，其程序框圖如圖3所示。主界面如圖4所示。通過(guò)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試，可以讓學(xué)生深刻體會(huì)常規(guī)實(shí)驗(yàn)需要實(shí)驗(yàn)裝置和各種元件的選擇與人工進(jìn)行的元件線(xiàn)路連接，自動(dòng)化程度低，不利于參數(shù)調(diào)整，通過(guò)這種軟件虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，學(xué)生從感性上深深體會(huì)到了其靈活性和先進(jìn)性，為今后深入應(yīng)用學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)課奠定了現(xiàn)代仿真技術(shù)基礎(chǔ)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和開(kāi)發(fā)新系統(tǒng)的興趣。

1.2可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

三級(jí)倒立擺可視化三維仿真是在LabVIEW環(huán)境下，通過(guò)LabVIEW和MATLAB的混合編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。MATLAB具有強(qiáng)大的計(jì)算、繪圖和數(shù)據(jù)處理等功能，它含有非常豐富的工具箱，廣泛應(yīng)用在數(shù)值分析、圖像處理、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、信號(hào)處理、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，但是MATLAB在用戶(hù)界面開(kāi)發(fā)方面的功能遠(yuǎn)不如LabVIEW，而將二者結(jié)合起來(lái)進(jìn)行混合編程，可以充分發(fā)揮利用兩種應(yīng)用軟件的優(yōu)點(diǎn)。

LabVIEW與MATLAB混合編程的方法有很多種，本設(shè)計(jì)采用通過(guò)LabVIEW的MatlabScript節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)MATLAB程序代碼，該節(jié)點(diǎn)可以直接在LabVIEW環(huán)境下運(yùn)行編好的MATLAB程序，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)。

1.3引入“教學(xué)學(xué)術(shù)”理念

傳統(tǒng)觀念中，大學(xué)教學(xué)似乎是一種簡(jiǎn)單的知識(shí)傳遞過(guò)程，重于照本宣科式的講述而忽視了與學(xué)生的互動(dòng)交流。能否將“教學(xué)學(xué)術(shù)”理念引入教學(xué)，讓教師將課堂教學(xué)當(dāng)做科研工作進(jìn)行呢？能否象做科研一樣做教學(xué)工作呢？筆者做了有意的嘗試，即在控制理論開(kāi)課的第一節(jié)課上，首先從宏觀角度讓學(xué)生知道這門(mén)課程在本專(zhuān)業(yè)的地位和作用，讓學(xué)生明確為什么要學(xué)？怎么學(xué)？最后要達(dá)到一個(gè)什么目標(biāo)？具有何種工程實(shí)踐能力？然后在授課過(guò)程中將一個(gè)非常有趣的倒立擺裝置先介紹給學(xué)生，讓他們意識(shí)到這是一個(gè)在復(fù)雜機(jī)器人、宇航裝置中普遍存在的裝置，該裝置衡不穩(wěn)定，通過(guò)控制理論這門(mén)課的學(xué)習(xí)，只要能利用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)倒立擺控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定控制，就達(dá)到了這門(mén)課的學(xué)術(shù)要求。這樣學(xué)生將在老師指導(dǎo)下分階段完成系統(tǒng)建模、穩(wěn)定性分析及整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真調(diào)試，真正體驗(yàn)到了理論指導(dǎo)實(shí)踐的過(guò)程，當(dāng)“教學(xué)”成為“學(xué)術(shù)”，成為解決實(shí)際問(wèn)題的途徑，老師有教學(xué)成就感，學(xué)生也體驗(yàn)到通過(guò)學(xué)習(xí)而解決實(shí)際問(wèn)題的樂(lè)趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生的求知欲和參與科研的快樂(lè)，教學(xué)從傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的知識(shí)傳遞轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)具有豐富內(nèi)涵和無(wú)限探究空間的學(xué)術(shù)領(lǐng)域。

1.4三級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

1） 三級(jí)倒立擺的三維場(chǎng)景建立。三級(jí)倒立擺的三維模型是采用虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）技術(shù)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(dǎo)入，如圖5所示。再在這個(gè)三維模型基礎(chǔ)上添加擺桿，進(jìn)一步完善豐富三級(jí)倒立擺虛擬場(chǎng)景，如圖6所示。

2） 三級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)的可視化仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)。利用LabVIEW中子Ⅵ的相關(guān)知識(shí)，可以將倒立擺控制的可視化設(shè)計(jì)為一個(gè)整體的系統(tǒng)，系統(tǒng)中高一級(jí)的Ⅵ可以調(diào)用低一級(jí)的子Ⅵ，這樣可以在一個(gè)整體的主界面中任意打開(kāi)具有某一功能的子Ⅵ并運(yùn)行，方便用戶(hù)使用，設(shè)計(jì)脈絡(luò)清晰，界面簡(jiǎn)單美觀。為配合創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)，提高學(xué)生的科學(xué)研究與研發(fā)能力，設(shè)計(jì)了倒立擺虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主界面如圖7所示，控制效果動(dòng)畫(huà)如圖8所示。限于篇幅詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程請(qǐng)參見(jiàn)作者發(fā)表的學(xué)術(shù)論文。在此只是通過(guò)設(shè)計(jì)的結(jié)果強(qiáng)調(diào)“教學(xué)學(xué)術(shù)”理念的含義，既學(xué)以致用，理論可以指導(dǎo)實(shí)踐的新型教改思想，而不再是以簡(jiǎn)單傳授為目的，像科學(xué)研究那樣做教學(xué)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(duì)對(duì)象進(jìn)行操作控制，比起僅有仿真曲線(xiàn)圖的環(huán)境，倒立擺三維可視化仿真提供了一個(gè)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(guò)程中擺桿的擺動(dòng)以及小車(chē)受控制器控制的整個(gè)移動(dòng)過(guò)程。

2知識(shí)點(diǎn)總結(jié)

設(shè)計(jì)任務(wù)的完成與所學(xué)的自動(dòng)控制理論內(nèi)容的關(guān)系如下。倒立擺建模利用自動(dòng)控制理論第2章“控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型”完成；倒立擺裝置的性能分析用第3章的時(shí)域法、第4章的復(fù)域法和第5章的頻域法均可完成；控制器設(shè)計(jì)可以利用第6章的校正法實(shí)現(xiàn)；設(shè)計(jì)過(guò)程的調(diào)試除了理論分析還要利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)與分析學(xué)生也體會(huì)到了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的重要性，拓展了MATLAB與LabVIEW的應(yīng)用?？吹綆熒餐υO(shè)計(jì)的系統(tǒng)，學(xué)生學(xué)到了知識(shí)、歷練了科研能力；老師傳播了知識(shí)，收獲了希望，提高了工作熱情。

3結(jié)束語(yǔ)

在大學(xué)教學(xué)中引入“教學(xué)學(xué)術(shù)”理念，將專(zhuān)業(yè)課的教學(xué)過(guò)程當(dāng)做科研任務(wù)完成，教師能充分激發(fā)其學(xué)術(shù)進(jìn)取意識(shí)，促進(jìn)領(lǐng)域前沿知識(shí)的自我學(xué)習(xí)與傳播，引領(lǐng)學(xué)生學(xué)以致用，掌握運(yùn)用理論解決實(shí)際問(wèn)題的能力；學(xué)生可以讓其從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換為主動(dòng)學(xué)習(xí)，帶著科研任務(wù)去學(xué)習(xí)會(huì)很自覺(jué)地以解決科學(xué)問(wèn)題為目標(biāo)去搜集資料、團(tuán)結(jié)合作、學(xué)以致用。從高等教育大環(huán)境看，這種教學(xué)方式的改變，可以解決“教學(xué)”與“科研”的矛盾，會(huì)充分調(diào)動(dòng)大學(xué)教師教學(xué)的熱情，鑒于教學(xué)過(guò)程的實(shí)用性、趣味性與競(jìng)爭(zhēng)性，將大學(xué)生吸引到大學(xué)課堂，緩解了大學(xué)生逃課現(xiàn)象，讓學(xué)生們?cè)诔錆M(mǎn)陽(yáng)光雨露的課堂汲取知識(shí)，為將來(lái)貢獻(xiàn)社會(huì)奠定知識(shí)儲(chǔ)備，極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索精神。

學(xué)生通過(guò)整個(gè)學(xué)習(xí)、探索與設(shè)計(jì)過(guò)程，體驗(yàn)到付出的艱辛與收獲的喜悅，教師也在整個(gè)過(guò)程中體驗(yàn)到教學(xué)的快樂(lè)，師生間的互動(dòng)交流也順其自然在教與學(xué)的過(guò)程中蔚然成風(fēng)。

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