自动控制技术课程远程在线实景实验的探索与实践

张佰顺，于亦凡，吴学英，刘 明

（海军潜艇学院 基础部，山东 青岛 266199）

传统实验室实验具有直观真实的特点，但也受时空的限制，在时间安排、资源共享等方面存在不足。此外，由于特殊情况（如新冠病毒疫情影响等）学生有时无法进入实验室亲身实践操作。这为强化实验教学与信息技术深度融合提供了机遇。据有关资料统计，我国各类高校和研究机构开展的与远程实验相关的研究项目已有近百个[1-3]。远程在线实景实验可与传统实验相结合，使其成为一种新的实验技术和方式，为实验教学注入新的生机与活力，不仅可以激发学生的求知欲，培养学生的实践兴趣，还能有效实现实验教学资源的共享和利用[4-6]。我院拟与深圳某企业合作共建自动控制技术远程在线实景实验室，以便进一步提升实验教学效果。

二阶系统瞬态响应实验是自动控制技术课程的必修实验，实验目的是了解二阶系统模拟电路的构成方法，研究二阶闭环系统结构参数无阻尼正当频率和阻尼比对过渡过程的影响，观察和分析二阶闭环系统在欠阻尼、临界阻尼和过阻尼的瞬态响应曲线及在阶跃信号输入时的动态性能指标，并与理论计算值作对比[7-9]。

1 远程在线实景实验系统

远程在线实景实验系统由两大部分组成：在线实验软件管理平台和在线实验硬件平台。其中在线实验软件管理平台可实现实验在线预习检测、实验预约、远程在线实验、实验过程数据采集以及形成性评价等功能；在线实验硬件平台既可以支持本地线下传统实验，还可以支持远程在线实景实验，是一个可编程门阵列系统，采用互联网技术和MR（mixed reality，混合现实技术）突破时空限制，将实验室真实存在的物理器件（电阻、电容、电感和放大器等）以及仪器仪表（万用表、信号源和示波器）等实验装置映射到软件平台的人机交互客户端的器件库中，系统可自动识别元器件的种类、参数规格等。教师端和学生端用户可自行安装在线实验软件管理系统，调用元器件、电路模块及设备等实现电路连接并自动布线，电路下发至硬件平台观察实验现象并记录实验数据。图1 为远程在线实景实验系统组成框图。

图1 远程在线实景实验系统组成框图

1.1 二阶系统瞬态响应实验平台

二阶系统瞬态响应实验硬件平台设备包括信号源、数字示波器等仪器仪表以及放大器和多种规格参数的电阻、电容等元器件，其中还包括可变电阻和典型I 型二阶闭环系统模拟电路（见图2）[10-11]。

图2 Ⅰ型二阶闭环系统模拟电路

上位机客户端人机交互界面由主界面和各仪器仪表分界面组成，上位机客户端人机交互界面如图3 所示。

图3 上位机客户端人机交互界面

学生端通过上位机客户端软件平台远程控制实验电路真实器件的连接，在线调节可变电阻参数，在线操纵仪器仪表获取硬件真实数据；观察欠阻尼、临界阻尼和过阻尼波形，也可通过远程摄像头观察实际波形的变化，达到身临其境的实验效果；硬件实验平台采用模块化组装形式，可通过更换相关实验器件进行其他实验项目，学生可尝试自己的实验想法，以此培养创新性思维。

1.2 在线实验软件管理平台

在线实验软件管理平台具有预习检测功能，教师可将预习实验内容提前上传至软件管理平台供学生进行相关知识的预习。

教师还可通过在线实验软件管理平台设置检测点，即设置好测量范围，软件系统测量数据后可直接判断结果的正确与否。同时，学生还可以通过这一系统在线完成实验报告。软件系统可协助教师评分，客观题目由系统进行自动判断，主观类题目由教师给出，然后系统进行综合成绩的自动加权，给出本次实验的最终成绩。

2 二阶系统瞬态响应本地及远程实验

2.1 二阶系统瞬态响应传统实验过程

传统的二阶系统瞬态响应实验过程通常是教师先讲解实验目的和实验原理，之后根据实验步骤示范，并强调本次实验应注意的事项，然后学生自主实验，观察实验现象并记录相关实验数据，最后学生根据教师的要求完成实验报告。

2.2 二阶系统瞬态响应远程实景实验过程

二阶系统瞬态响应远程在线实景实验过程如下所述：首先确保实验室的二阶系统瞬态响应实验的远程在线硬件平台准备正确无误；教师一般提前一段时间上传预习实验内容，包括本次实验的目的、实验原理、实验步骤以及实验注意事项等；之后，学生分别预约实验时间，以远程访问的形式登录客户端系统。

学生点击“扫描”将本次实验所用到的仪器设备（示波器和信号源）和模块器件（放大器和多种规格参数的电阻电容）读写到客户端系统中，此时客户端界面器件库中的器件和实验室真实的物理器件相联通；然后选择实验项目“二阶系统瞬态响应实验”，可以根据指导书和原理图中内容搭建二阶系统瞬态响应模拟电路，从模块器件库和仪器设备库中拖出信号源、示波器、放大器和电阻电容等器件进行布线，布线完成后进行模拟电路的下发；点击“下发”将搭建完成的模拟电路下载至实验室的硬件平台中，打开信号源调节界面调节信号源输出矩形波（相当于连续的阶跃信号）；打开示波器调节界面调节输入输出两通道波形；点击“摄像头”观察实验室示波器的实际输出波形和仪器仪表界面中波形的变化并进行对比分析，同时记录相关实验数据；调节可变电阻阻值分别进行二阶系统瞬态响应实验中的欠阻尼、临界阻尼、过阻尼实验现象的观察和数据的采集。

3 与传统实验教学模式的对比

相比传统实验室实验，远程在线实景实验具有如下特点[12]。

（1）远程在线实景实验最大的特点是“真实验”，并非虚拟仿真实验。虚拟仿真实验的结果往往过于理想，而在实际实验过程中总存在各种各样的误差，正是这些误差的存在锻炼了学生分析问题的能力，从而提高学生解决问题的能力。

（2）远程在线实景实验系统可以突破时空限制，学生可在理论学习的同时，预约线上实验进行验证，加深对理论知识的理解。此外，教师也可以在课堂上进行远程操作验证演示，无须将一些不方便带出实验室的仪器设备搬进课堂。在远程在线实景实验系统中可内置各种实验学习资源，可满足学有余力的学生进行拓展实验，同时系统还有强大的帮助功能，可培养学生的自学能力。

（3）远程在线实景实验系统可为学生提供试错的机会，可根据理论知识更改相关元器件参数，观察实验现象的变化。同时还具有利用率高的特点，实验设 备只要空闲便可进行实验；而且通过远程在线实景实验可将学生引入远程控制的领域，让学生感受现代信息技术与传统实验的整合[13]。

4 结语

在特殊情况下不方便进入实验室做实验时，远程在线实景实验不失为一种好的选择。远程在线实景实验系统能够把本该在实验室进行的相关实验操作，利用互联网技术和增强现实技术将真实的仪器设备模块与上位机客户端人机界面中的器件一一对应，从而实现对真实电路的搭建，实现远程在线对实验室中的设备进行真实操控，实现实验现象的同步显示。以二阶系统的瞬态响应实验为教学案例，阐述了远程在线实景实验的具体过程，为实验教学探索了一种新的途径。