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摘要：闡述Lab VIEW和Multisim軟件建立虛擬仿真實驗平臺，對控制工程基礎課程教學方法和運行機制進行改革。此平臺操作靈活，易于擴展，可有效鏈接理論教學和實驗教學。

關鍵詞：控制工程，虛擬仿真，實驗教學。

0  引言

我校測控技術與儀器專業(yè)2019  年獲批國家級一流本科專業(yè)建設點，《控制工程基礎》作為該專業(yè)的一門核心專業(yè)課，其主要任務是使學生獲得控制系統(tǒng)的概念、系統(tǒng)的數學模型、特性分析等方面的專業(yè)技能。通過搭建模擬電路，討論電路參數對系統(tǒng)特性的影響，然而控制系統(tǒng)特征參數和電路參數之間又存在復雜的數學推導，在短短的兩學時實驗中，學生很難從實驗現象映射到理論知識中，依托第二批新工科研究與實踐項目對該課程從教學方法與運行機制等方面進行了深入改革。

1  教學方法改革

基于數學模型設計虛擬仿真實驗。測控技術與儀器是光學、機械、電子、計算機、控制等多學科交叉而形成的一門高新技術密集型專業(yè)。測控專業(yè)必須順應形勢，融合信息和物聯(lián)網元素，重構專業(yè)知識課程體系。在教學改革的過程中，引入現代化教學手段，將虛擬仿真實驗演示與課堂教學相結合，與傳統(tǒng)的硬件操作實驗相結合，建設了與傳統(tǒng)實驗教學體系優(yōu)勢互補的虛擬仿真實驗教學內容。運用Lab VIEW強大的圖形化編輯語言G編寫程序，根據控制工程課程的函數模型，建立程序框圖開發(fā)基于數學模型分析的虛擬實驗系統(tǒng)，大尺度的依據學生的要求調整結構參數來觀察實驗想象，成為課堂教學中教師理論教學的得力助手，可將虛擬仿真教程嵌套在授課PPT中，教師可結合實際的教學需求，最大限度地發(fā)揮虛擬元器件資源的優(yōu)勢，課堂上教師只需要選擇相應的模塊，改變參數實現實驗現象的連續(xù)觀測，教學課件更加靈活多變，增強課堂教學的趣味性，讓同學們更加直觀地理解所學內容，從而提高整體教學質量。基于模擬電路設計虛擬仿真實驗。隨著一流課程改革的推進，線上實驗教學也隨之以更多元化的形式孕育而生。傳統(tǒng)的實驗隨著設備元器件的更新速度太多，經常跟不上社會發(fā)展的節(jié)奏，所學的知識脫離實際應用，然而Multisim可虛擬電子元器件以及各類電子電工儀表，通過軟件將元器件和儀器融為一體，能滿足中小規(guī)模的模擬、數字邏輯以及混合電路的仿真需要[1]。根據控制工程系統(tǒng)模型的多樣性，設計不同形式的模擬電路，追求數學模型到模擬電路的轉型，利用其便利的虛擬示波器完成波形的觀察，數據的記錄和分析，與實際硬件實驗相比，暫時回避學生在線上實驗中示波器、信號源使用難的問題，電路復雜接線錯誤燒壞芯片的問題，把知識先掌握，在仿真電路可以任意的改變電路參數，分析系統(tǒng)性能的變化，得出正確的結論，在線下硬件實驗中我們再來解決信號源、示波器與實驗電路連接使用的技巧，解決目前再實驗中經常因為不知道實驗想象，盲目的調整的過程，往往不知道學生到底是知識點沒掌握，還是儀器設備不會使用。實現虛實結合，既是對課堂教學的補充，也為下線實驗奠定基礎，而后在進行下線實驗時，更能得心應手，降低實驗設備的損壞率的同時提高實驗教學效果。圖1為虛擬仿真與課程教學結構圖。以Lab VIEW虛擬仿真平臺建設促理論教學，以Multisim虛擬平臺建設促實驗教學的改革模式，體現了現代技術與傳統(tǒng)經典理論課程的信息融合。將虛擬仿真引入課程教學過程是控制工程課程的必要教學改革手段。

2  實驗改革方案設計

基于Lab VIEW的虛擬仿真平臺設計。根據課程教學的要求，對該課程中控制系統(tǒng)的各個典型環(huán)節(jié)進行動態(tài)仿真、分析各類系統(tǒng)的時域特性和頻域特性及其穩(wěn)定性研究、控制系統(tǒng)的校正分析等實驗進行了程序設計和測試[2]。平臺主界面建立樹形目錄，便于切換不同的學習對象，在后面板利用事件結構的屬性節(jié)點通過目錄標識符從邏輯上將子VI與主程序鏈接起[3]。利用NI提供的項目管理工具，生成可執(zhí)行文件和程序安裝包，允許用戶在不安裝Lab VIEW開發(fā)系統(tǒng)而運行該VI，使得該仿真系統(tǒng)脫離第三方軟件，學生在使用時更加便捷，降低對系統(tǒng)配置的要求。以系統(tǒng)時域分析為例，該章節(jié)在整個課程中起到承上啟下的作用，而傳統(tǒng)的課堂教學中注重用解析法求系統(tǒng)的時間響應，數學公式推導較多，理論強，雖然在章節(jié)的最后會給出系統(tǒng)參數變化的一個對比圖。但學生仍會覺得內容枯燥，缺乏興趣，很多學生望而卻步。教師在課堂上講授二階系統(tǒng)的時間響應知識點時能結合Lab VIEW虛擬仿真平臺（圖2），將傳遞函數建立在后面板，將響應曲線展現在前面板，動態(tài)、連續(xù)滑動調節(jié)各個參數，讓學生觀察響應曲線隨固有頻率ω、阻尼比δ的變化現象，學生的學習興趣必然會大大改善。基于Multisim的虛擬仿真平臺設計。控制工程基礎開設的硬件實驗內容有：典型環(huán)節(jié)模擬，二階系統(tǒng)的時域分析、二階系統(tǒng)的頻域分析、系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究。每個實驗兩學時，基本的實驗流程為教師講解實驗原理，介紹分析電路，學生連線搭建電路，觀察實驗現象并記錄數據。在實驗的過程中學生要應用到信號源、實驗箱、示波器，實驗設備多，時間緊，實驗效果著實不太理想。若在硬件實驗前增添  Multisim  仿真實驗，讓學生在軟件上快速修改參數，及時觀察電路的輸出響應，理解不同元件、不同參數對整個電路的影響，可使學生更好地理解實驗內容。之后再進行硬件電路實驗，可避免學生盲目的連線不思考，同時解決了實驗箱本身元器件參數的局限性。圖3是在Multisim中仿真二階系統(tǒng)性能參數對響應狀態(tài)的影響，學生可根據需求自行隨意更改電路中的電阻、電容參量，理解準確測量出上升時間、超調量、調整時間的仿真結果，信號源、示波器界面友好、使用便捷，實驗結果可反復觀察，為硬件實驗起到鋪墊作用。《控制工程基礎》虛擬仿真實驗設計從數學模型和模擬電路兩個角度對控制工程基礎知識點進行解析，力求尋找一個中間環(huán)節(jié)實現理論知識和實驗教學的有效鏈接，將課程討論的有關系統(tǒng)的核心要素，即微分方程、傳遞函數、頻率特性之間的關系以更加直觀的形式表現出來（圖4）。

3  結語

通過Lab VIEW和Multisim完成系統(tǒng)性能分析，使得教學方法更具多樣性，課件更加生動形象，能最大限度地激發(fā)學生的自主實驗興趣，有助于激發(fā)學生的構建思維，大力推進現代信息技術與教學深度融合，具有獨特的實驗教學實踐作用。

參考文獻

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

[2]  陸蘊香.基于Lab VIEW的機械工程控制基礎的實驗[J].機械工程師,2011(01):44-45.

作者：王萌 高飛 王玉峰 宋躍輝 石冬晨 高亮 單位：西安理工大學機械與精密儀器工程學院 西安理工大學電氣工程學院