[NI技术]西安交通大学基于NIELVIS平台的自控原理实验教学改革

[NI技术]西安交通大学基于NIELVIS平台的自控原理实验教学改革图1西安交通大学自动控制原理实验室中的NIELVIS平台《自动控制原理》是自动化专业最重要的专业基础课，同时也是许多其他工程专业的重要专业课。这门课程对应的实验环节也十分重要，不仅应帮助学生理解课程中所涉及的基本原理和概念，同时应该可以使学生获得这些原理在实际工程中应用的直观感受。-MingxiaoLu,TheChallenge:全面改革自动控制原理的实验教学方式。对于自动化专业的学生，如何在实验环节中充分调动学生的主动性和学习兴趣，在更多的设计型实验中强化专业知识的吸收，同时获得基本工程实践能力的训练；而对于非自动化专业的学生，如何通过验证型实验使其真正理解并掌握自控原理课程中所涉及的核心基本概念，同时在实验中体现出这些原理和概念在实际工程中的应用。TheSolution:《自动控制原理》是自动化专业最重要的专业基础课，同时也是许多其他工程专业的重要专业课。这门课程对应的实验环节也十分重要，不仅应帮助学生理解课程中所涉及的基本原理和概念，同时应该可以使学生获得这些原理在实际工程中应用的直观感受。Author(s):MingxiaoLu-ZhouJing-ZhengXu-NationalInstruments西安交通大学自动控制原理教学实验室隶属于电子与信息工程学院的自动化系，不仅负责自动化专业本科学生的自动控制原理教学实验，同时也为其他专业学生开设自动控制原理实验。传统的自动控制原理实验主要基于一些实验箱完成验证型实验，学生依照配套实验指导书的步骤完成一些插线的工作就可以看到实验结果，例如一阶或二阶系统的时域特性或频域特性。在这种方式下，学生只要按照实验指导书按部就班操作就可以完成实验，即使没有充分预习也可以获得实验结果，在实验过程中也几乎没有可供学生发挥和扩展的空间，不利于调动学生主动进行学习和思考，也很难真正培养学生的动手能力和工程实践能力，而这些能力对于工程专业的学生来说又是极为重要的。因此，西安交通大学自动化专业的自动控制原理实验改革主要需要改变以验证型实验为主的传统实验方式，引人更多的设计型实验，充分调动学生主动思考，并且在覆盖面最广的课程实验环节中就开始逐步训练培养学生解决实际工程问题的能力。此外，对于非自动化专业的学生，也希望通过改变验证型实验的内容，更多调动学生的学习兴趣和积极性，并且结合工程应用背景，更加直观的体现出课程中所讲授的核心概念及其应用。经过调研，西安交通大学选择了NIELVIS硬件平台和LabVIEW软件环境开展自动控制原理课程实验的改革。这主要是因为NIELVIS结合了多种现成的仪器功能，但同时也支持利用LabVIEW软件开发特别的实验功能，而且NIELVIS和LabVIEW软件为学生提供了一个可扩展发挥的实验环境，可以改变以往按部就班、单纯验证的实验方式。此外，NIELVIS上的插板可以替换，因此，也可以使用第三方的插板作为被控对象，甚至教师可以自行开发实验插板。图1西安交通大学自动控制原理实验室中的NIELVIS平台目前该实验室已经基于NI平台开发了若干创新型实验，针对不同的选课学生专业类型和实验学时数可以有不同的组合。对于自动化专业六个班的学生，学生需要完成系统时域响应分析、系统频域响应、系统稳定性分析、系统超前校正等验证型实验，以及一个电机PID调速系统设计的设计型实验。即使在验证型实验中，学生也需要在NIELVIS的面包板上用运算放大器和电阻、电容等元器件搭建出所要测试分析的一阶系统和二阶系统，并结合教师提供的LabVIEW实验程序观测元器件的不同取值对系统特性的影响，这样不仅可以加深对系统特性的理解和印象，而且衔接了模拟电子线路等前序课程的知识。1/5图2在验证型实验中学生仍然需要亲自设计并用运放等模拟元件搭建一阶系统和二阶系统的实际电路，并通过NIELVIS提供的信号接口和LabVIEW软件对系统的相关特性进行研究图3在验证型实验中，教师为学生提供了用LabVIEW编写好的实验程序在设计型实验中，将三名学生一组进行分组，每组学生自行完成一个直流电机PID调速系统的设计。教师给学生提供直流电机作为被控对象，学生需要在NIELVIS平台上自行搭建光耦开关转速测量的外围电路，并利用NIELVIS的可编程电源根据转速输出不同电压驱动电机跟随上所设定的转速。软件编程涉及光耦开关输出脉冲信号的采集、转速计算、调用LabVIEW提供的PID算法并设置合适的PID参数、控制可编程电源的输出电压等。考虑到大三秋季学期的学生还没有上过LabVIEW相关课程，因此教师给学生提供一些独立的程序片段作为参考，学生需要将这些程序整合成一个完整的应用并独立完成核心的控制部分的编程。由于LabVIEW是一种直观的图形化编程语言，并且提供PID控制等现成函数，因此该设计型实验对大三学生虽然有一定难度，但学生只要投入一定精力都能完成。通过这样的设计型实验，学生不仅对相关的控制理论有更加深刻的理解和认识，而且通过亲自动手的方式体会到这些理论在实际系统中的应用，同时也在构建一个完整系统的过程中培养了学生的实践能力、创新能力、解决实际工程问题的能力以及团队合作精神。一组学生在实验报告的总结部分写到：“本次实验使得我们对于自动控制有了更深入的理解和掌握。尤其是PID各参数的调整对于各性能的影响，通过本次实验，就彻底记住了…LabVIEW使用的是图形化语言编写程序，产生的程序是框图的形式，这种编程方式给设计者及分析者带来了很大便利，使得程序设计方便，分析简单。”图4学生分组进行电机转速控制的设计型实验2/5图5学生在NIELVIS平台上实现的PID电机转速控制系统图6学生在设计型实验中编写的LabVIEW程序前面板和程序框图对于一些面向非自动化专业学生开设的自动控制原理课程，由于实验学时数的制约，目前还是以验证型实验为主，但是也希望通过更新实验内容，达到更好的实验效果。该实验室以Quanser公司的QNET直流电机教学板作为被控对象，配合NIELVIS平台和LabVIEW软件，设计了若干实验。学生虽然不需要自己搭建电路编写程序，但是按照顺序做完一些列实验，可以直观地体会到直流电机系统建模、根据系统模型计算PID参数并进行直流电机的转速控制和位置控制的完整过程，将课程理论和工程实践紧密结合起来。图7结合QuanserQNET直流电机实验板完成电机转速控制和位置控制等实验3/5图8学生在完成QuanserQNET直流电机建模及转速控制和位置控制实验由于在2011年和2012年秋季学期的自动控制原理教学实验改革中所取得的良好效果，西安交通大学基于NI平台的自动控制原理教学实验已经定型，未来该实验室还将进一步扩大设备规模，从而可以一次容纳更多学生同时进行实验；相关教师也在进一步扩充完善实验程序和教材。4/5图1西安交通大学自动控制原理实验室中的NIELVIS平台LegalThiscasestudy(thiscasestudy)wasdevelopedbyaNationalInstruments(NI)customer.THISCASESTUDYISPROVIDEDASISWITHOUTWARRANTYOFANYKINDANDSUBJECTTOCERTAINRESTRICTIONSASMORESPECIFICALLYSETFORTHINNI.COM'STERMSOFUSE5/5