計算機控制程序實驗室創建論文

計算機畢業論文 時間:2019-01-12 我要投稿

  1高等職業教育實踐教學中存在的問題

  教育部在《關于加強高職高專人才培養工作的若干意見》中明確指出:“人才培養模式改革的重點是教學過程的實踐性、開放性和職業性,實驗、實訓、實習是三個關鍵環節。”[1]實驗、實訓、實習等實踐教學是培養學生職業技能、鍛煉學生職業意識、實現高職培養目標的主體教學環節之一。高等職業院校的教師開展實踐教學活動,要以培養學生的動手能力和創新能力為主,以職業的典型工作任務為導向,鍛煉企業所期望的工作能力,增強職業意識,強調教學過程的實踐性和職業性。但目前職業教育實踐教學中的幾個問題需引起我們的注意。第一,現有實驗設備制約著學生動手能力和創新能力的培養與提高。目前,實驗設備大多采用以實驗模塊為基本單元的實驗箱形式,往往以最基本的認知性和驗證性實驗為主,綜合性、創造性實驗很難實施。對于這樣的實驗,學生是被動的,是為完成任務而做實驗,因而無積極性可言。第二,傳統的實踐教學過程大多圍繞硬件實物,在實驗室、實訓室或企業車間等場所實施,因其直觀易感性和接近生產實際,向來都是高職實踐課程的主流教學方式。然而這種教學方式存在先天不足,因其投入大、適應性差且難于開放,往往使實踐教學過程面臨窘境[2]。對沒有實踐經驗的學生來說,設計過程中容易造成器件和儀器儀表的損壞,故開展實踐教學需要購置的元器件數量增多,開支增大。第三,實踐性很強的專業課程學時有限,而設計型的實踐項目要求學生在學習原理圖的基礎上設計出實物來,若原理圖不正確會影響實物設計,延長學生的設計時間,又影響學習進度。

  2虛擬仿真技術的優勢

  伴隨著計算機軟件和硬件技術的發展,各種虛擬仿真系統為實際系統的開發提供了可靠的保證,運用虛擬仿真技術進行實踐教學有以下優勢:(1)培養學生職業技能。圍繞模擬和仿真條件開發的虛擬實驗實訓項目,是參考專業技術領域有關生產要素及崗位能力要求而開發的。通過訓練,可增強學生實踐技能,提高創新能力和就業競爭力。(2)教學成本低。基于計算機軟件的虛擬仿真技術實踐教學模式,在多媒體機房或專業實訓室安裝計算機仿真軟件即可開展實踐教學活動,維護、維修和管理工作量小,節約了教學成本。

  (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試,再利用儀器儀表的輸入輸出功能對實驗結果進行檢測,待仿真結果基本理想時再進行實際的硬件調試。這樣,一方面學生了解應用系統硬件電路結構,鍛煉了編程技術,也學習了儀器儀表的使用,提高了設計水平;另一方面開發過程高效,損失減少,解決了實驗室資源緊張的問題[3]。

  3計算機控制系統虛擬實驗室的建設

  充分利用現代信息技術,圍繞具有模擬和仿真條件的校內多媒體實驗機房或實訓室,著力開發其虛擬實驗、實訓項目,充分發掘其教學功能,為實訓操作前理論與實踐結合的教學提供有效途徑。開發的計算機控制系統虛擬實踐教學項目舉例見表1,并以項目三為例,證明虛擬實驗室可以鍛煉學生軟硬件的綜合開發能力。

  3.1Smith純滯后溫度控制系統的Matlab輔助設計與仿真

  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節。根據被控對象實驗數據,可確定被控對象的純滯后時間τ=72s和對象時間常數Tp=2min,其比例τ/Tp>0.5,故采用帶有Smith預估器的數字PID控制算法,在Matlab軟件的Simulink模型窗口創建smith.mdl模型文件[4](如圖1所示)。圖1帶有Smith預估器的數字PID控制系統仿真模型根據被控對象時間長短并結合工程經驗,確定采樣周期為1s,調試比例系數kp、積分系數ki,使系統閉環穩定,沒有超調,使單位階躍響應輸出曲線的上升時間滿足設計要求,可得仿真結果(如圖2,圖3所示)。由圖2可知,引入Smith預估器后,閉環系統的單位階躍響應曲線無超調,只是在時間上滯后τ=72s;由圖3可知,控制系統單位階躍響應輸出曲線的上升時間小于6s。采用帶有Smith預估器的數字PID控制算法可實現對電阻爐溫度的純滯后補償控制。圖2Smith預估控制系統仿真結果圖3Smith預估控制系統仿真結果局部放大圖經此虛擬設計,學生可結合對電阻爐溫度對象的控制,學習smith預估控制器的設計原理及參數調試方法、技巧,為實際對象的控制及控制方法的合理選擇積累經驗。

  3.2輸入溫度檢測信號Proteus輔助設計與仿真

  電阻爐的溫度檢測采用鎳鉻-鎳硅熱電偶,經信號調理電路轉換成單片機方便識別的電壓信號,再經A/D轉換器輸入單片機。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,經編譯后向CPU(AT89C51)加載源程序,仿真運行、調試。可得到輸入溫度信號對應的8位二進制電壓值,再經顯示電路顯示對應的溫度值,同時根據實際情況輸出對應的控制信號,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此虛擬設計,學生可學習A/D芯片ADC0809轉換性能及編程方法,掌握A/D轉換器與單片機接口軟硬件設計方法。

  3.3項目報告

  每一個項目,學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、得失經驗等內容的總結報告,將理論教學和工程訓練有機結合,將企業真實的“崗位任務”轉換成職業院校的“學習任務”[5]。這樣,既能提高學生學習的主動性、參與性,又可提高學生對設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,提高學生對具體問題進行深入探索的主動性,從而培養學生一定的科研思維能力。

  4結束語

  (1)Matlab,Proteus等仿真軟件在計算機控制系統教學中的應用,提高了學生的學習興趣和創新能力,對學生職業能力的培養具有現實意義。

  (2)利用虛擬仿真軟件替代價格昂貴的實驗設備和測試儀器,可在課堂上進行仿真分析,便于學生深入理解和掌握概念;同時,實驗結果可用來指導實際系統的設計,減少實物實驗調試和耗材,既提高教學效率,又節約教學成本。

  (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上將其應用于實物系統,才能真正將校內實踐教學與企業實際工作崗位需求有機銜接與融通。

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