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計算機控制程序?qū)嶒炇覄?chuàng)建論文
1高等職業(yè)教育實踐教學(xué)中存在的問題
教育部在《關(guān)于加強高職高專人才培養(yǎng)工作的若干意見》中明確指出：“人才培養(yǎng)模式改革的重點是教學(xué)過程的實踐性、開放性和職業(yè)性，實驗、實訓(xùn)、實習(xí)是三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。”[1]實驗、實訓(xùn)、實習(xí)等實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)技能、鍛煉學(xué)生職業(yè)意識、實現(xiàn)高職培養(yǎng)目標(biāo)的主體教學(xué)環(huán)節(jié)之一。高等職業(yè)院校的教師開展實踐教學(xué)活動，要以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力為主，以職業(yè)的典型工作任務(wù)為導(dǎo)向，鍛煉企業(yè)所期望的工作能力，增強職業(yè)意識，強調(diào)教學(xué)過程的實踐性和職業(yè)性。但目前職業(yè)教育實踐教學(xué)中的幾個問題需引起我們的注意。第一，現(xiàn)有實驗設(shè)備制約著學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與提高。目前，實驗設(shè)備大多采用以實驗?zāi)K為基本單元的實驗箱形式，往往以最基本的認(rèn)知性和驗證性實驗為主，綜合性、創(chuàng)造性實驗很難實施。對于這樣的實驗，學(xué)生是被動的，是為完成任務(wù)而做實驗，因而無積極性可言。第二，傳統(tǒng)的實踐教學(xué)過程大多圍繞硬件實物，在實驗室、實訓(xùn)室或企業(yè)車間等場所實施，因其直觀易感性和接近生產(chǎn)實際，向來都是高職實踐課程的主流教學(xué)方式。然而這種教學(xué)方式存在先天不足，因其投入大、適應(yīng)性差且難于開放，往往使實踐教學(xué)過程面臨窘境[2]。對沒有實踐經(jīng)驗的學(xué)生來說，設(shè)計過程中容易造成器件和儀器儀表的損壞，故開展實踐教學(xué)需要購置的元器件數(shù)量增多，開支增大。第三，實踐性很強的專業(yè)課程學(xué)時有限，而設(shè)計型的實踐項目要求學(xué)生在學(xué)習(xí)原理圖的基礎(chǔ)上設(shè)計出實物來，若原理圖不正確會影響實物設(shè)計，延長學(xué)生的設(shè)計時間，又影響學(xué)習(xí)進度。
2虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢
伴隨著計算機軟件和硬件技術(shù)的發(fā)展，各種虛擬仿真系統(tǒng)為實際系統(tǒng)的開發(fā)提供了可靠的保證，運用虛擬仿真技術(shù)進行實踐教學(xué)有以下優(yōu)勢：(1)培養(yǎng)學(xué)生職業(yè)技能。圍繞模擬和仿真條件開發(fā)的虛擬實驗實訓(xùn)項目，是參考專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域有關(guān)生產(chǎn)要素及崗位能力要求而開發(fā)的。通過訓(xùn)練，可增強學(xué)生實踐技能，提高創(chuàng)新能力和就業(yè)競爭力。(2)教學(xué)成本低�；谟嬎銠C軟件的虛擬仿真技術(shù)實踐教學(xué)模式，在多媒體機房或?qū)I(yè)實訓(xùn)室安裝計算機仿真軟件即可開展實踐教學(xué)活動，維護、維修和管理工作量小，節(jié)約了教學(xué)成本。
(3)提升綜合效益。借助Matlab，Proteus等軟件強大的仿真能力以及豐富的資源庫，可以有效替代硬件仿真器進行先期的軟硬件調(diào)試，再利用儀器儀表的輸入輸出功能對實驗結(jié)果進行檢測，待仿真結(jié)果基本理想時再進行實際的硬件調(diào)試。這樣，一方面學(xué)生了解應(yīng)用系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)，鍛煉了編程技術(shù)，也學(xué)習(xí)了儀器儀表的使用，提高了設(shè)計水平；另一方面開發(fā)過程高效，損失減少，解決了實驗室資源緊張的問題[3]。
3計算機控制系統(tǒng)虛擬實驗室的建設(shè)
充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，圍繞具有模擬和仿真條件的校內(nèi)多媒體實驗機房或?qū)嵱?xùn)室，著力開發(fā)其虛擬實驗、實訓(xùn)項目，充分發(fā)掘其教學(xué)功能，為實訓(xùn)操作前理論與實踐結(jié)合的教學(xué)提供有效途徑。開發(fā)的計算機控制系統(tǒng)虛擬實踐教學(xué)項目舉例見表1，并以項目三為例，證明虛擬實驗室可以鍛煉學(xué)生軟硬件的綜合開發(fā)能力。
3.1Smith純滯后溫度控制系統(tǒng)的Matlab輔助設(shè)計與仿真
電阻爐是一個具有自平衡能力的對象，可以近似為帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。根據(jù)被控對象實驗數(shù)據(jù)，可確定被控對象的純滯后時間τ＝72s和對象時間常數(shù)Tp=2min，其比例τ/Tp＞0.5，故采用帶有Smith預(yù)估器的數(shù)字PID控制算法，在Matlab軟件的Simulink模型窗口創(chuàng)建smith.mdl模型文件[4](如圖1所示)。圖1帶有Smith預(yù)估器的數(shù)字PID控制系統(tǒng)仿真模型根據(jù)被控對象時間長短并結(jié)合工程經(jīng)驗，確定采樣周期為1s，調(diào)試比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki，使系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定，沒有超調(diào)，使單位階躍響應(yīng)輸出曲線的上升時間滿足設(shè)計要求，可得仿真結(jié)果(如圖2，圖3所示)。由圖2可知，引入Smith預(yù)估器后，閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線無超調(diào)，只是在時間上滯后τ＝72s；由圖3可知，控制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)輸出曲線的上升時間小于6s。采用帶有Smith預(yù)估器的數(shù)字PID控制算法可實現(xiàn)對電阻爐溫度的純滯后補償控制。圖2Smith預(yù)估控制系統(tǒng)仿真結(jié)果圖3Smith預(yù)估控制系統(tǒng)仿真結(jié)果局部放大圖經(jīng)此虛擬設(shè)計，學(xué)生可結(jié)合對電阻爐溫度對象的控制，學(xué)習(xí)smith預(yù)估控制器的設(shè)計原理及參數(shù)調(diào)試方法、技巧，為實際對象的控制及控制方法的合理選擇積累經(jīng)驗。
3.2輸入溫度檢測信號Proteus輔助設(shè)計與仿真
電阻爐的溫度檢測采用鎳鉻－鎳硅熱電偶，經(jīng)信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成單片機方便識別的電壓信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器輸入單片機。使用Proteus的ISIS組件繪制的ADC0809與AT89C51接口原理如圖4所示，在ISIS界面編輯源程序，經(jīng)編譯后向CPU(AT89C51)加載源程序，仿真運行、調(diào)試。可得到輸入溫度信號對應(yīng)的8位二進制電壓值，再經(jīng)顯示電路顯示對應(yīng)的溫度值，同時根據(jù)實際情況輸出對應(yīng)的控制信號，達到控制溫度的目的。圖4模擬量輸入通道的仿真運行與觀測經(jīng)此虛擬設(shè)計，學(xué)生可學(xué)習(xí)A/D芯片ADC0809轉(zhuǎn)換性能及編程方法，掌握A/D轉(zhuǎn)換器與單片機接口軟硬件設(shè)計方法。
3.3項目報告
每一個項目，學(xué)生都要寫出包括項目研究概論、方法與手段、查閱資料情況、完成形式、得失經(jīng)驗等內(nèi)容的總結(jié)報告，將理論教學(xué)和工程訓(xùn)練有機結(jié)合，將企業(yè)真實的“崗位任務(wù)”轉(zhuǎn)換成職業(yè)院校的“學(xué)習(xí)任務(wù)”[5]。這樣，既能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、參與性，又可提高學(xué)生對設(shè)計全過程的理解和掌握，改變以往實驗只走簡單操作過程的驗證性實驗形式，提高學(xué)生對具體問題進行深入探索的主動性，從而培養(yǎng)學(xué)生一定的科研思維能力。
4結(jié)束語
(1)Matlab，Proteus等仿真軟件在計算機控制系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，對學(xué)生職業(yè)能力的培養(yǎng)具有現(xiàn)實意義。
(2)利用虛擬仿真軟件替代價格昂貴的實驗設(shè)備和測試儀器，可在課堂上進行仿真分析，便于學(xué)生深入理解和掌握概念；同時，實驗結(jié)果可用來指導(dǎo)實際系統(tǒng)的設(shè)計，減少實物實驗調(diào)試和耗材，既提高教學(xué)效率，又節(jié)約教學(xué)成本。
(3)仿真不能完全代替實物，在利用Matlab，Proteus等軟件進行仿真分析的基礎(chǔ)上將其應(yīng)用于實物系統(tǒng)，才能真正將校內(nèi)實踐教學(xué)與企業(yè)實際工作崗位需求有機銜接與融通。
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