计算机控制程序实验室创建

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1高等职业教育实践教学中存在的问题

教育部在《关于加强高职高专人才培养工作的若干意见》中明确指出：“人才培养模式改革的重点是教学过程的实践性、开放性和职业性，实验、实训、实习是三个关键环节。”[1]实验、实训、实习等实践教学是培养学生职业技能、锻炼学生职业意识、实现高职培养目标的主体教学环节之一。高等职业院校的教师开展实践教学活动，要以培养学生的动手能力和创新能力为主，以职业的典型工作任务为导向，锻炼企业所期望的工作能力，增强职业意识，强调教学过程的实践性和职业性。但目前职业教育实践教学中的几个问题需引起我们的注意。第一，现有实验设备制约着学生动手能力和创新能力的培养与提高。目前，实验设备大多采用以实验模块为基本单元的实验箱形式，往往以最基本的认知性和验证性实验为主，综合性、创造性实验很难实施。对于这样的实验，学生是被动的，是为完成任务而做实验，因而无积极性可言。第二，传统的实践教学过程大多围绕硬件实物，在实验室、实训室或企业车间等场所实施，因其直观易感性和接近生产实际，向来都是高职实践课程的主流教学方式。然而这种教学方式存在先天不足，因其投入大、适应性差且难于开放，往往使实践教学过程面临窘境[2]。对没有实践经验的学生来说，设计过程中容易造成器件和仪器仪表的损坏，故开展实践教学需要购置的元器件数量增多，开支增大。第三，实践性很强的专业课程学时有限，而设计型的实践项目要求学生在学习原理图的基础上设计出实物来，若原理图不正确会影响实物设计，延长学生的设计时间，又影响学习进度。

2虚拟仿真技术的优势

伴随着计算机软件和硬件技术的发展，各种虚拟仿真系统为实际系统的开发提供了可靠的保证，运用虚拟仿真技术进行实践教学有以下优势：(1)培养学生职业技能。围绕模拟和仿真条件开发的虚拟实验实训项目，是参考专业技术领域有关生产要素及岗位能力要求而开发的。通过训练，可增强学生实践技能，提高创新能力和就业竞争力。(2)教学成本低。基于计算机软件的虚拟仿真技术实践教学模式，在多媒体机房或专业实训室安装计算机仿真软件即可开展实践教学活动，维护、维修和管理工作量小，节约了教学成本。

(3)提升综合效益。借助Matlab，Proteus等软件强大的仿真能力以及丰富的资源库，可以有效替代硬件仿真器进行先期的软硬件调试，再利用仪器仪表的输入输出功能对实验结果进行检测，待仿真结果基本理想时再进行实际的硬件调试。这样，一方面学生了解应用系统硬件电路结构，锻炼了编程技术，也学习了仪器仪表的使用，提高了设计水平；另一方面开发过程高效，损失减少，解决了实验室资源紧张的问题[3]。

3计算机控制系统虚拟实验室的建设

充分利用现代信息技术，围绕具有模拟和仿真条件的校内多媒体实验机房或实训室，着力开发其虚拟实验、实训项目，充分发掘其教学功能，为实训操作前理论与实践结合的教学提供有效途径。开发的计算机控制系统虚拟实践教学项目举例见表1，并以项目三为例，证明虚拟实验室可以锻炼学生软硬件的综合开发能力。

3.1Smith纯滞后温度控制系统的Matlab辅助设计与仿真

电阻炉是一个具有自平衡能力的对象，可以近似为带有纯滞后的一阶惯性环节。根据被控对象实验数据，可确定被控对象的纯滞后时间τ＝72s和对象时间常数Tp=2min，其比例τ/Tp＞0.5，故采用带有Smith预估器的数字PID控制算法，在Matlab软件的Simulink模型窗口创建smith.mdl模型文件[4](如图1所示)。图1带有Smith预估器的数字PID控制系统仿真模型根据被控对象时间长短并结合工程经验，确定采样周期为1s，调试比例系数kp、积分系数ki，使系统闭环稳定，没有超调，使单位阶跃响应输出曲线的上升时间满足设计要求，可得仿真结果(如图2，图3所示)。由图2可知，引入Smith预估器后，闭环系统的单位阶跃响应曲线无超调，只是在时间上滞后τ＝72s；由图3可知，控制系统单位阶跃响应输出曲线的上升时间小于6s。采用带有Smith预估器的数字PID控制算法可实现对电阻炉温度的纯滞后补偿控制。图2Smith预估控制系统仿真结果图3Smith预估控制系统仿真结果局部放大图经此虚拟设计，学生可结合对电阻炉温度对象的控制，学习smith预估控制器的设计原理及参数调试方法、技巧，为实际对象的控制及控制方法的合理选择积累经验。

3.2输入温度检测信号Proteus辅助设计与仿真

电阻炉的温度检测采用镍铬－镍硅热电偶，经信号调理电路转换成单片机方便识别的电压信号，再经A/D转换器输入单片机。使用Proteus的ISIS组件绘制的ADC0809与AT89C51接口原理如图4所示，在ISIS界面编辑源程序，经编译后向CPU(AT89C51)加载源程序，仿真运行、调试。可得到输入温度信号对应的8位二进制电压值，再经显示电路显示对应的温度值，同时根据实际情况输出对应的控制信号，达到控制温度的目的。图4模拟量输入通道的仿真运行与观测经此虚拟设计，学生可学习A/D芯片ADC0809转换性能及编程方法，掌握A/D转换器与单片机接口软硬件设计方法。

3.3项目报告

每一个项目，学生都要写出包括项目研究概论、方法与手段、查阅资料情况、完成形式、得失经验等内容的总结报告，将理论教学和工程训练有机结合，将企业真实的“岗位任务”转换成职业院校的“学习任务”[5]。这样，既能提高学生学习的主动性、参与性，又可提高学生对设计全过程的理解和掌握，改变以往实验只走简单操作过程的验证性实验形式，提高学生对具体问题进行深入探索的主动性，从而培养学生一定的科研思维能力。

4结束语

(1)Matlab，Proteus等仿真软件在计算机控制系统教学中的应用，提高了学生的学习兴趣和创新能力，对学生职业能力的培养具有现实意义。

(2)利用虚拟仿真软件替代价格昂贵的实验设备和测试仪器，可在课堂上进行仿真分析，便于学生深入理解和掌握概念；同时，实验结果可用来指导实际系统的设计，减少实物实验调试和耗材，既提高教学效率，又节约教学成本。

(3)仿真不能完全代替实物，在利用Matlab，Proteus等软件进行仿真分析的基础上将其应用于实物系统，才能真正将校内实践教学与企业实际工作岗位需求有机衔接与融通。