計算機控制程序實(shí)驗室創(chuàng )建論文

　　1高等職業(yè)教育實(shí)踐教學(xué)中存在的問(wèn)題

　　教育部在《關(guān)于加強高職高專(zhuān)人才培養工作的若干意見(jiàn)》中明確指出：“人才培養模式改革的重點(diǎn)是教學(xué)過(guò)程的實(shí)踐性、開(kāi)放性和職業(yè)性，實(shí)驗、實(shí)訓、實(shí)習是三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節�！盵1]實(shí)驗、實(shí)訓、實(shí)習等實(shí)踐教學(xué)是培養學(xué)生職業(yè)技能、鍛煉學(xué)生職業(yè)意識、實(shí)現高職培養目標的主體教學(xué)環(huán)節之一。高等職業(yè)院校的教師開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，要以培養學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng )新能力為主，以職業(yè)的典型工作任務(wù)為導向，鍛煉企業(yè)所期望的工作能力，增強職業(yè)意識，強調教學(xué)過(guò)程的實(shí)踐性和職業(yè)性。但目前職業(yè)教育實(shí)踐教學(xué)中的幾個(gè)問(wèn)題需引起我們的注意。第一，現有實(shí)驗設備制約著(zhù)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng )新能力的培養與提高。目前，實(shí)驗設備大多采用以實(shí)驗模塊為基本單元的實(shí)驗箱形式，往往以最基本的認知性和驗證性實(shí)驗為主，綜合性、創(chuàng )造性實(shí)驗很難實(shí)施。對于這樣的實(shí)驗，學(xué)生是被動(dòng)的，是為完成任務(wù)而做實(shí)驗，因而無(wú)積極性可言。第二，傳統的實(shí)踐教學(xué)過(guò)程大多圍繞硬件實(shí)物，在實(shí)驗室、實(shí)訓室或企業(yè)車(chē)間等場(chǎng)所實(shí)施，因其直觀(guān)易感性和接近生產(chǎn)實(shí)際，向來(lái)都是高職實(shí)踐課程的主流教學(xué)方式。然而這種教學(xué)方式存在先天不足，因其投入大、適應性差且難于開(kāi)放，往往使實(shí)踐教學(xué)過(guò)程面臨窘境[2]。對沒(méi)有實(shí)踐經(jīng)驗的學(xué)生來(lái)說(shuō)，設計過(guò)程中容易造成器件和儀器儀表的損壞，故開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)需要購置的元器件數量增多，開(kāi)支增大。第三，實(shí)踐性很強的專(zhuān)業(yè)課程學(xué)時(shí)有限，而設計型的實(shí)踐項目要求學(xué)生在學(xué)習原理圖的基礎上設計出實(shí)物來(lái)，若原理圖不正確會(huì )影響實(shí)物設計，延長(cháng)學(xué)生的設計時(shí)間，又影響學(xué)習進(jìn)度。

　　2虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢

　　伴隨著(zhù)計算機軟件和硬件技術(shù)的發(fā)展，各種虛擬仿真系統為實(shí)際系統的開(kāi)發(fā)提供了可靠的保證，運用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)有以下優(yōu)勢：(1)培養學(xué)生職業(yè)技能。圍繞模擬和仿真條件開(kāi)發(fā)的虛擬實(shí)驗實(shí)訓項目，是參考專(zhuān)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域有關(guān)生產(chǎn)要素及崗位能力要求而開(kāi)發(fā)的。通過(guò)訓練，可增強學(xué)生實(shí)踐技能，提高創(chuàng )新能力和就業(yè)競爭力。(2)教學(xué)成本低�；�于計算機軟件的虛擬仿真技術(shù)實(shí)踐教學(xué)模式，在多媒體機房或專(zhuān)業(yè)實(shí)訓室安裝計算機仿真軟件即可開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，維護、維修和管理工作量小，節約了教學(xué)成本。

　　(3)提升綜合效益。借助Matlab，Proteus等軟件強大的仿真能力以及豐富的資源庫，可以有效替代硬件仿真器進(jìn)行先期的軟硬件調試，再利用儀器儀表的輸入輸出功能對實(shí)驗結果進(jìn)行檢測，待仿真結果基本理想時(shí)再進(jìn)行實(shí)際的硬件調試。這樣，一方面學(xué)生了解應用系統硬件電路結構，鍛煉了編程技術(shù)，也學(xué)習了儀器儀表的使用，提高了設計水平；另一方面開(kāi)發(fā)過(guò)程高效，損失減少，解決了實(shí)驗室資源緊張的問(wèn)題[3]。

　　3計算機控制系統虛擬實(shí)驗室的建設

　　充分利用現代信息技術(shù)，圍繞具有模擬和仿真條件的校內多媒體實(shí)驗機房或實(shí)訓室，著(zhù)力開(kāi)發(fā)其虛擬實(shí)驗、實(shí)訓項目，充分發(fā)掘其教學(xué)功能，為實(shí)訓操作前理論與實(shí)踐結合的教學(xué)提供有效途徑。開(kāi)發(fā)的計算機控制系統虛擬實(shí)踐教學(xué)項目舉例見(jiàn)表1，并以項目三為例，證明虛擬實(shí)驗室可以鍛煉學(xué)生軟硬件的綜合開(kāi)發(fā)能力。

　　3.1Smith純滯后溫度控制系統的Matlab輔助設計與仿真

　　電阻爐是一個(gè)具有自平衡能力的對象，可以近似為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節。根據被控對象實(shí)驗數據，可確定被控對象的純滯后時(shí)間τ＝72s和對象時(shí)間常數Tp=2min，其比例τ/Tp＞0.5，故采用帶有Smith預估器的數字PID控制算法，在Matlab軟件的Simulink模型窗口創(chuàng )建smith.mdl模型文件[4](如圖1所示)。圖1帶有Smith預估器的數字PID控制系統仿真模型根據被控對象時(shí)間長(cháng)短并結合工程經(jīng)驗，確定采樣周期為1s，調試比例系數kp、積分系數ki，使系統閉環(huán)穩定，沒(méi)有超調，使單位階躍響應輸出曲線(xiàn)的上升時(shí)間滿(mǎn)足設計要求，可得仿真結果(如圖2，圖3所示)。由圖2可知，引入Smith預估器后，閉環(huán)系統的單位階躍響應曲線(xiàn)無(wú)超調，只是在時(shí)間上滯后τ＝72s；由圖3可知，控制系統單位階躍響應輸出曲線(xiàn)的上升時(shí)間小于6s。采用帶有Smith預估器的數字PID控制算法可實(shí)現對電阻爐溫度的純滯后補償控制。圖2Smith預估控制系統仿真結果圖3Smith預估控制系統仿真結果局部放大圖經(jīng)此虛擬設計，學(xué)生可結合對電阻爐溫度對象的控制，學(xué)習smith預估控制器的設計原理及參數調試方法、技巧，為實(shí)際對象的控制及控制方法的合理選擇積累經(jīng)驗。

　　3.2輸入溫度檢測信號Proteus輔助設計與仿真

　　電阻爐的溫度檢測采用鎳鉻－鎳硅熱電偶，經(jīng)信號調理電路轉換成單片機方便識別的電壓信號，再經(jīng)A/D轉換器輸入單片機。使用Proteus的ISIS組件繪制的ADC0809與AT89C51接口原理如圖4所示，在ISIS界面編輯源程序，經(jīng)編譯后向CPU(AT89C51)加載源程序，仿真運行、調試�？傻玫捷斎霚囟刃盘枌�應的8位二進(jìn)制電壓值，再經(jīng)顯示電路顯示對應的溫度值，同時(shí)根據實(shí)際情況輸出對應的控制信號，達到控制溫度的目的。圖4模擬量輸入通道的仿真運行與觀(guān)測經(jīng)此虛擬設計，學(xué)生可學(xué)習A/D芯片ADC0809轉換性能及編程方法，掌握A/D轉換器與單片機接口軟硬件設計方法。

　　3.3項目報告

　　每一個(gè)項目，學(xué)生都要寫(xiě)出包括項目研究概論、方法與手段、查閱資料情況、完成形式、得失經(jīng)驗等內容的總結報告，將理論教學(xué)和工程訓練有機結合，將企業(yè)真實(shí)的“崗位任務(wù)”轉換成職業(yè)院校的“學(xué)習任務(wù)”[5]。這樣，既能提高學(xué)生學(xué)習的主動(dòng)性、參與性，又可提高學(xué)生對設計全過(guò)程的理解和掌握，改變以往實(shí)驗只走簡(jiǎn)單操作過(guò)程的驗證性實(shí)驗形式，提高學(xué)生對具體問(wèn)題進(jìn)行深入探索的主動(dòng)性，從而培養學(xué)生一定的科研思維能力。

　　4結束語(yǔ)

　　(1)Matlab，Proteus等仿真軟件在計算機控制系統教學(xué)中的應用，提高了學(xué)生的學(xué)習興趣和創(chuàng )新能力，對學(xué)生職業(yè)能力的培養具有現實(shí)意義。

　　(2)利用虛擬仿真軟件替代價(jià)格昂貴的實(shí)驗設備和測試儀器，可在課堂上進(jìn)行仿真分析，便于學(xué)生深入理解和掌握概念；同時(shí)，實(shí)驗結果可用來(lái)指導實(shí)際系統的設計，減少實(shí)物實(shí)驗調試和耗材，既提高教學(xué)效率，又節約教學(xué)成本。

　　(3)仿真不能完全代替實(shí)物，在利用Matlab，Proteus等軟件進(jìn)行仿真分析的基礎上將其應用于實(shí)物系統，才能真正將校內實(shí)踐教學(xué)與企業(yè)實(shí)際工作崗位需求有機銜接與融通。

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