虚拟仿真实验平台在研究生控制类课程中的运用

李彦江，谭冲，吕建婷，巩诚



虚拟仿真实验平台在研究生控制类课程中的运用

李彦江1，谭冲2，吕建婷1，巩诚1

（1. 黑龙江大学 数学科学学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2. 哈尔滨理工大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150080）

针对控制类专业课程的教学特点，在传统的课堂演示教学和实验教学的基础上，借助虚拟仿真技术构建虚实结合的虚拟仿真实验，是提高学生实践动手能力的有力补充和有效途径．研究了虚拟仿真实验教学如何在高校研究生控制类专业课程教学过程中发挥作用，为实验教学以及师生互动提供便利的条件，为运筹学与控制论专业人才的能力培养奠定基础．

虚拟仿真实验平台；控制类课程；实验教学

控制理论作为控制科学与工程学科的基础课程[1]，主要讲述系统控制科学中具有新观念、新思想的理论研究成果．在各个领域中，特别是高科技领域中都发挥着重要的作用．在研究生控制类专业课程的教学中，培养目标是使学生通过课程的学习，既掌握理论基础知识，又具备实践操作能力、工程素养及创新精神[2]．如何对传统的理论教学进行改革，融入新的教学手段，以提高教学质量是非常重要的．近年来，计算机技术飞速发展，虚拟仿真教学逐步被引入到教学环节中．虚拟仿真教学就是基于实际系统的模型，利用计算机软件模拟出真实工程场景，让学生在虚拟的环境下进行学习和研究．这种教学方式的优点在于可以避免传统教学环节中，利用实验箱进行实验所带来的耗时时间长，占用课时多等弊端，从而可以节省大量耗材，有效降低成本[3]．并且，这种教学方法生动形象，更贴近现实工作场景和实际工程系统，有利于提高学生兴趣，使学生在短时间内融入相应工作场景，真实地体验在现实生活中进行设计、控制与操作的感觉，以达到更快掌握操作技能的目的[4]．本文主要论述虚拟仿真实验教学系统作为一项新的教学手段在控制类课程实验教学中的运用以及在教学中的优势．

1虚拟仿真实验平台在研究生控制类课程教学中的应用

研究生控制类课程理论教学中所涉及到的多为先进控制理论[5-8]，如最优控制、网络控制和智能控制理论等，分析与控制的对象主要为复杂系统．因此，在理论环节，学生很难仅仅通过教师的理论讲解真正理解抽象复杂的系统分析、控制器设计与实际操作过程，必须通过实验加强对理论知识的理解与实际动手能力的培养．与理论教学相结合的实验内容主要是针对某类复杂系统（如航天器、机器人编队等），进行系统性能分析与控制器的设计．一般来说，很少有实验室具备这样的实验条件．为了解决这个问题，可以引入虚拟仿真实验教学系统．教师可以借助系统构建虚拟的实际系统，利用系统中的实验原理动画演示和实验操作视频等更加形象具体地进行课程讲解与介绍，加深学生对实验背景理论知识的理解，从而对整个系统分析、控制器设计、实际操作被控系统的流程形成更加深刻的认识．研究生根据控制类相关课程实验指导，通过理论分析，可以制定出详细具体的实验步骤，从而有助于完成整个实践环节．

将虚拟仿真实验教学系统这一先进教学手段引入到研究生控制类课程教学环节，可以有效地克服传统教学中枯燥讲述的抽象难懂，并有效地提高学生的学习兴趣，提高实践动手能力，降低实验成本．

对于某个新的实验内容，在传统教学中，学生仅仅通过实验指导书作为指导材料，很难理解整个实验流程（系统性能分析、控制器设计、实际操作被控系统）．而虚拟仿真实验平台可以提供系统直观的视图、操作视频和人机交互的虚拟实验操作，学生可以直观生动地对所学内容进行了解．另外，随着网络化技术的日益成熟，虚拟仿真实验可以通过网络进行资源整合，从而使学生更加方便地通过网络进行实验．对于特别复杂的系统，可能由于各种原因导致在课堂实验过程中实验失败，没有得到预期的结果．但是限于课堂时间有限，学生往往无法系统地完成分析失败原因——重新设计控制器——再验证这一过程．而虚拟仿真平台的网络系统为学生的课后实验提供了资源，学生可借助网络系统完成分析失败原因——重新设计控制器——再验证这一过程．这样可以使学生在学习的过程中获得最大的收益，以提高其对基础理论的掌握，特别有助于提高其实践动手能力与独立思考能力．

如在模糊控制课程中，对倒立摆进行模糊控制器的设计．可借助虚拟仿真实验平台建立倒立摆模型，根据模糊控制器的设计方法，针对倒立摆系统设计控制器．在虚拟仿真平台上可以提供倒立摆系统直观的视图，可以直观生动地对模糊控制器的设计、系统中控制策略的执行和系统性能的分析全面了解，有助于研究生对基础理论的理解及实践动手能力的培养．

2虚拟仿真实验平台在研究生控制类课程教学中的优势

由于研究生控制类课程所涉及到的课程多为先进控制理论，所针对的分析与设计对象多为复杂系统，如果在实验室搭建这类系统的模型需要大量的实验模块和元器件，教学成本非常高，并且无法应用于大规模的实验课．另一方面，受实验场地和实验学时的限制，控制类实验课只能开设一些比较常规、典型的实验，与实际系统有一定的距离．使学生无法将课堂所学的理论知识与生产生活中的实际系统联系起来，导致理论与实际相脱节，无法获得实际操作经验，从而使得实践动手能力较弱．

而无法常规展开的实验系统完全可以通过虚拟仿真实验平台来实现，如飞行器编队等一些大规模、具有高复杂性的系统．学生可以借助虚拟仿真实验平台，了解网络化控制系统的原理及控制器设计方法，帮助学生深入理解网络化控制系统中的相关知识．通过人机交互进行系统分析与控制器的设计，真实体验整个系统的分析、设计与控制过程．将枯燥的理论学习过程变得真实、有趣，从而提高学生的学习兴趣，并与实际系统紧密结合在了一起，可以充分锻炼学生运用理论知识解决实际问题的实践动手能力与创新能力．借助于虚拟仿真实验平台，既节省了大量的实验耗材，也无需多名教师的反复指导，可以更好地完成教学目的．

3结论

根据控制类学科研究生教学的特点，在教学中，借助虚拟仿真实验平台，将理论学习与对实际系统的分析、设计和控制相结合，做到虚实结合，可以有效地提高学生的学习兴趣，培养学生的实践动手能力与分析和解决实际问题的能力．

[1] 王国军，陈松乔．自动控制理论发展综述[J]．微型机与应用，2000（6）：4-7

[2] 余雷，王富东，杨歆豪，等．控制类课程工程化教学模式的探讨[J]．电气电子教学学报，2014，36（2）：7-8

[3] 李欣，郑越．基于控制类学科方向研究生核心能力培养的研究[C]//中国学位与研究生教育学会德育委员会第九届学术年 会论文集，2014

[4] 恽如伟．虚拟现实的教学应用及简易虚拟学习环境设计[D]．南京：南京师范大学，2005

[5] 韩芝侠，魏辽博，韩宏博，等．仿真虚拟实验教学的研究与实践[J]．实验技术与管理，2006，23（5）：63-65

[6] 刘春生，张绍杰，王晶．“最优控制理论”研究生课程教学的探索与实践[J]．电气电子教学学报，2015，37（3）：30-32

[7] 岳东．网络控制系统的分析与综合[M]．北京：科学出版社，2007

[8] 刘涛，黄梓瑜．智能控制系统综述[J]．信息通信，2014（8）：101-102

HLJ_2015056）；2015年黑龙江大学学位与研究生教育教学改革研究项目（GXM_YJS_2015008）

Application of virtual simulation experimental platform for postgraduate control courses

LI Yan-jiang1，TAN Chong2，Lü Jian-ting1，GONG Cheng1

（1. School of Mathematical Science，Heilongjiang University，Harbin 150080，China；2. School of Automation，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

According to teaching characteristics of control courses，except of the traditional classroom teaching and experimental teaching，the virtual simulation teaching and learning environment built by virtual simulation technology，are a powerful supplement and effective way to improve students′ practical ability．Researched how the virtual simulation teaching play a role in postgraduate control courses is studied，which is convenient to experimental teaching and teacher-student interaction，and can lay a foundation of cultivating students′ practical ability in operational research and cybernetics specialty．

virtual simulation experimental platform；control course；experimental teaching

O23∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.03.013

2015-12-02

2014年黑龙江省高等学校教改工程资助项目（JG2014011142）；2015年黑龙江省学位与研究生教育教学改革研究项目（JGXM_

李彦江（1980-），男，黑龙江哈尔滨人，副教授，博士，从事网络化控制系统和T-S模糊系统研究．E-mail：zottf@163.com