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摘要：阐述Lab VIEW和Multisim软件建立虚拟仿真实验平台，对控制工程基础课程教学方法和运行机制进行改革。此平台操作灵活，易于扩展，可有效链接理论教学和实验教学。
关键词：控制工程，虚拟仿真，实验教学。
0 引言
我校测控技术与仪器专业2019 年获批国家级一流本科专业建设点，《控制工程基础》作为该专业的一门核心专业课，其主要任务是使学生获得控制系统的概念、系统的数学模型、特性分析等方面的专业技能。通过搭建模拟电路，讨论电路参数对系统特性的影响，然而控制系统特征参数和电路参数之间又存在复杂的数学推导，在短短的两学时实验中，学生很难从实验现象映射到理论知识中，依托第二批新工科研究与实践项目对该课程从教学方法与运行机制等方面进行了深入改革。
1 教学方法改革
基于数学模型设计虚拟仿真实验。测控技术与仪器是光学、机械、电子、计算机、控制等多学科交叉而形成的一门高新技术密集型专业。测控专业必须顺应形势，融合信息和物联网元素，重构专业知识课程体系。在教学改革的过程中，引入现代化教学手段，将虚拟仿真实验演示与课堂教学相结合，与传统的硬件操作实验相结合，建设了与传统实验教学体系优势互补的虚拟仿真实验教学内容。运用Lab VIEW强大的图形化编辑语言G编写程序，根据控制工程课程的函数模型，建立程序框图开发基于数学模型分析的虚拟实验系统，大尺度的依据学生的要求调整结构参数来观察实验想象，成为课堂教学中教师理论教学的得力助手，可将虚拟仿真教程嵌套在授课PPT中，教师可结合实际的教学需求，最大限度地发挥虚拟元器件资源的优势，课堂上教师只需要选择相应的模块，改变参数实现实验现象的连续观测，教学课件更加灵活多变，增强课堂教学的趣味性，让同学们更加直观地理解所学内容，从而提高整体教学质量。基于模拟电路设计虚拟仿真实验。随着一流课程改革的推进，线上实验教学也随之以更多元化的形式孕育而生。传统的实验随着设备元器件的更新速度太多，经常跟不上社会发展的节奏，所学的知识脱离实际应用，然而Multisim可虚拟电子元器件以及各类电子电工仪表，通过软件将元器件和仪器融为一体，能满足中小规模的模拟、数字逻辑以及混合电路的仿真需要[1]。根据控制工程系统模型的多样性，设计不同形式的模拟电路，追求数学模型到模拟电路的转型，利用其便利的虚拟示波器完成波形的观察，数据的记录和分析，与实际硬件实验相比，暂时回避学生在线上实验中示波器、信号源使用难的问题，电路复杂接线错误烧坏芯片的问题，把知识先掌握，在仿真电路可以任意的改变电路参数，分析系统性能的变化，得出正确的结论，在线下硬件实验中我们再来解决信号源、示波器与实验电路连接使用的技巧，解决目前再实验中经常因为不知道实验想象，盲目的调整的过程，往往不知道学生到底是知识点没掌握，还是仪器设备不会使用。实现虚实结合，既是对课堂教学的补充，也为下线实验奠定基础，而后在进行下线实验时，更能得心应手，降低实验设备的损坏率的同时提高实验教学效果。图1为虚拟仿真与课程教学结构图。以Lab VIEW虚拟仿真平台建设促理论教学，以Multisim虚拟平台建设促实验教学的改革模式，体现了现代技术与传统经典理论课程的信息融合。将虚拟仿真引入课程教学过程是控制工程课程的必要教学改革手段。
2 实验改革方案设计
基于Lab VIEW的虚拟仿真平台设计。根据课程教学的要求，对该课程中控制系统的各个典型环节进行动态仿真、分析各类系统的时域特性和频域特性及其稳定性研究、控制系统的校正分析等实验进行了程序设计和测试[2]。平台主界面建立树形目录，便于切换不同的学习对象，在后面板利用事件结构的属性节点通过目录标识符从逻辑上将子VI与主程序链接起[3]。利用NI提供的项目管理工具，生成可执行文件和程序安装包，允许用户在不安装Lab VIEW开发系统而运行该VI，使得该仿真系统脱离第三方软件，学生在使用时更加便捷，降低对系统配置的要求。以系统时域分析为例，该章节在整个课程中起到承上启下的作用，而传统的课堂教学中注重用解析法求系统的时间响应，数学公式推导较多，理论强，虽然在章节的最后会给出系统参数变化的一个对比图。但学生仍会觉得内容枯燥，缺乏兴趣，很多学生望而却步。教师在课堂上讲授二阶系统的时间响应知识点时能结合Lab VIEW虚拟仿真平台（图2），将传递函数建立在后面板，将响应曲线展现在前面板，动态、连续滑动调节各个参数，让学生观察响应曲线随固有频率ω、阻尼比δ的变化现象，学生的学习兴趣必然会大大改善。基于Multisim的虚拟仿真平台设计。控制工程基础开设的硬件实验内容有：典型环节模拟，二阶系统的时域分析、二阶系统的频域分析、系统的稳定性研究。每个实验两学时，基本的实验流程为教师讲解实验原理，介绍分析电路，学生连线搭建电路，观察实验现象并记录数据。在实验的过程中学生要应用到信号源、实验箱、示波器，实验设备多，时间紧，实验效果着实不太理想。若在硬件实验前增添 Multisim 仿真实验，让学生在软件上快速修改参数，及时观察电路的输出响应，理解不同元件、不同参数对整个电路的影响，可使学生更好地理解实验内容。之后再进行硬件电路实验，可避免学生盲目的连线不思考，同时解决了实验箱本身元器件参数的局限性。图3是在Multisim中仿真二阶系统性能参数对响应状态的影响，学生可根据需求自行随意更改电路中的电阻、电容参量，理解准确测量出上升时间、超调量、调整时间的仿真结果，信号源、示波器界面友好、使用便捷，实验结果可反复观察，为硬件实验起到铺垫作用。《控制工程基础》虚拟仿真实验设计从数学模型和模拟电路两个角度对控制工程基础知识点进行解析，力求寻找一个中间环节实现理论知识和实验教学的有效链接，将课程讨论的有关系统的核心要素，即微分方程、传递函数、频率特性之间的关系以更加直观的形式表现出来（图4）。
3 结语
通过Lab VIEW和Multisim完成系统性能分析，使得教学方法更具多样性，课件更加生动形象，能最大限度地激发学生的自主实验兴趣，有助于激发学生的构建思维，大力推进现代信息技术与教学深度融合，具有独特的实验教学实践作用。
参考文献
[1] 曹海燕,张大维.虚拟仿真软件在高校电子技术教学中的应用[J].现代信息科技,2020, 4(07):183-185+188.
[2] 陆蕴香.基于Lab VIEW的机械工程控制基础的实验[J].机械工程师,2011(01):44-45.
作者：王萌 高飞 王玉峰 宋跃辉 石冬晨 高亮 单位：西安理工大学机械与精密仪器工程学院 西安理工大学电气工程学院
