本發(fā)明涉及陀螺儀實驗平臺、服務(wù)器搭建以及教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，更具體的說，是涉及一種基于網(wǎng)絡(luò)的遠程教學(xué)實驗系統(tǒng)及實驗方法。

背景技術(shù)：

隨著我國素質(zhì)教育的不斷提高，對課堂教學(xué)提出了更高的要求。原來填鴨式的教學(xué)模式已經(jīng)不能夠適應(yīng)社會對于教育的需求?；谒刭|(zhì)教育和個性化教育的要求，互動式教學(xué)被引入了課堂教學(xué)中。互動式教學(xué)強調(diào)了在實施教學(xué)過程中學(xué)生的主動參與性，尊重學(xué)生的主體地位，力爭在教學(xué)過程中實現(xiàn)信息雙向傳遞，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的教育目標。

互動式教學(xué)雖然可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)習(xí)潛能，但是由于課堂教學(xué)時間和空間的局限性，效果終究不能夠讓人滿意。得益于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的出現(xiàn)，為互動式教學(xué)提供了有益的補充，促進了互動式教學(xué)模式的發(fā)展。

實驗教學(xué)是理工科高等院校教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過不同的實驗項目教學(xué)：一方面幫助學(xué)生鞏固理論，另一方面幫助培養(yǎng)學(xué)生的操作能力和解決實際問題的能力。提高學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)效果，促進學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的基本素質(zhì)形成，在培養(yǎng)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力的同時引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)求真的態(tài)度、嚴禁周密的作風(fēng)和團結(jié)協(xié)作的精神。

作為現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺不僅僅是通過技術(shù)的使用來延伸課堂，去支持原有的課程講授的教學(xué)模式，更應(yīng)該在拓展課程的空間性、豐富課程的內(nèi)容。于是建立具有實時互動性，即雙向交互的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)社區(qū)是一個很好的發(fā)展方向。這種學(xué)習(xí)社區(qū)更好地聯(lián)系了學(xué)生、教師和學(xué)習(xí)資源，使其中每個環(huán)節(jié)都獲得更好地信息獲取與信息傳出。

當今信息社會，特別是物聯(lián)網(wǎng)的到來，任何科技進步都離不開測量與控制理論，無論是汽車制造，產(chǎn)品檢測乃至衛(wèi)星發(fā)射，測控系統(tǒng)都在其中有著重要的作用。測控電路的傳感器和執(zhí)行機構(gòu)組成了測控系統(tǒng)。“測控電路”課程已被全國高校的儀器相關(guān)專業(yè)列為核心課程，因此建立一套具有高效性、先進性的結(jié)合理論與實驗的網(wǎng)絡(luò)實驗教學(xué)系統(tǒng)有著重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于網(wǎng)絡(luò)的遠程教學(xué)實驗系統(tǒng)及實驗方法，能夠解決現(xiàn)有測控電路教學(xué)系統(tǒng)不全面、實時性差、控制知識應(yīng)用缺失的不足，提升測控電路教學(xué)的豐富性、實踐性以及先進性。

本發(fā)明的目的可通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。

一種基于網(wǎng)絡(luò)的遠程教學(xué)實驗系統(tǒng)，由實驗系統(tǒng)本體構(gòu)成，所述實驗系統(tǒng)本體包括依次連接的應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和中心服務(wù)器，所述中心服務(wù)器通過園區(qū)網(wǎng)絡(luò)與用戶進行通信，所述中心服務(wù)器通過以太網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備服務(wù)器進行通信，所述設(shè)備服務(wù)器連接有陀螺儀實驗平臺；

所述應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于記錄設(shè)備運行狀況或者維護設(shè)備；

所述中心服務(wù)器是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享和實驗控制的事務(wù)中心，接受用戶的指令與參數(shù)，經(jīng)過處理后將其發(fā)給設(shè)備服務(wù)器實現(xiàn)控制，當接收到來自設(shè)備服務(wù)器的實驗結(jié)果時，通過園區(qū)網(wǎng)絡(luò)實時顯示在用戶的界面；

所述設(shè)備服務(wù)器接收由中心服務(wù)器發(fā)送的參數(shù)并發(fā)送至陀螺儀實驗平臺進行實驗測試，同時實時采集實驗結(jié)果并通過以太網(wǎng)絡(luò)返回至中心服務(wù)器，按照時序處理順序?qū)崿F(xiàn)用戶與陀螺儀實驗平臺之間的實時控制。

所述陀螺儀實驗平臺包括與設(shè)備服務(wù)器連接的數(shù)據(jù)處理工控機，所述數(shù)據(jù)處理工控機連接有控制電路、數(shù)據(jù)采集與控制裝備、數(shù)字再平衡回路、高精度轉(zhuǎn)臺和實時攝像系統(tǒng)，所述控制電路分別與數(shù)據(jù)采集與控制裝備和數(shù)字再平衡回路相互連接，所述高精度轉(zhuǎn)臺上設(shè)置有陀螺儀，所述陀螺儀的信號器和力矩器均與控制電路相連接，所述控制電路連接有用于供電的電源柜，所述電源柜連接由高精度轉(zhuǎn)臺和陀螺儀構(gòu)成的實驗現(xiàn)場，所述實時攝像系統(tǒng)對實驗現(xiàn)場進行攝錄。

本發(fā)明的目的還可通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。

一種根據(jù)上述系統(tǒng)的基于網(wǎng)絡(luò)的遠程教學(xué)實驗方法，包括以下步驟：

步驟一，學(xué)生或管理者進行登錄注冊，若是管理者，登錄后進入后臺管理部分，若是學(xué)生，進行用戶注冊經(jīng)教師審核后成為正式用戶，進入教學(xué)系統(tǒng)；

步驟二，學(xué)生進入教學(xué)系統(tǒng)后選擇理論學(xué)習(xí)部分：查看信息公告，了解課程目標、學(xué)習(xí)任務(wù)，按時進入在線課堂進行學(xué)習(xí)，在課后進入教學(xué)課件模塊下載相關(guān)資料進行課后鞏固復(fù)習(xí)；

步驟三，在理論學(xué)習(xí)部分結(jié)束之后進入遠程實驗部分，依次進行陀螺儀模型辨識、實驗仿真、回路生成、陀螺測試和實驗報告；

步驟四，學(xué)生進入信息交流部分進行問題討論：系統(tǒng)會發(fā)布在線答疑開放時間，學(xué)生進入在線答疑進行提問并獲得解答；或進入課程論壇，與其他用戶進行問題交流；每隔一段時間會有階段測試，對學(xué)生所學(xué)知識進行鞏固。

步驟一中管理者進入后臺管理部分后，發(fā)布首頁公告，進行教學(xué)目標和系統(tǒng)信息的更新，或增刪教師信息，或修改用戶個人資料，或清除存有數(shù)據(jù)。

步驟三中進入遠程實驗部分后的具體過程：

①根據(jù)陀螺儀機理的先驗知識，由學(xué)生設(shè)計激勵信號并構(gòu)造模型類；

②將設(shè)計參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至陀螺儀實驗平臺；

③將陀螺儀放置于高精度位置速率轉(zhuǎn)臺上，陀螺儀x、y軸分別與高精度位置速率轉(zhuǎn)臺的內(nèi)外框的自轉(zhuǎn)軸平行，陀螺儀測試組件上電進行預(yù)熱，將設(shè)計的激勵信號輸入陀螺儀力矩器端，并采集輸入輸出數(shù)據(jù)；

④分析陀螺儀輸入輸出數(shù)據(jù)，通過aic準則和fpe準則判定模型階數(shù)，并估計試用模型參數(shù)；

⑤對試用模型進行殘差分析和擬合度檢驗，以驗證試用模型是否合適，若合適返回用戶后驗?zāi)Ｐ?，若不合適返回錯誤信息，并重新設(shè)計模型類以及激勵信號；

⑥用戶根據(jù)后驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計控制器參數(shù)，以獲得滿足陀螺儀穩(wěn)定的相位裕度、幅值裕度，通過仿真環(huán)節(jié)仿真開環(huán)幅頻特性、開環(huán)相頻特性、閉環(huán)節(jié)約響應(yīng)、閉環(huán)幅頻特性曲線驗證控制器；

⑦若仿真不通過返回重新設(shè)計控制器參數(shù)，若仿真通過將設(shè)計參數(shù)發(fā)送至陀螺儀實驗平臺并將設(shè)計參數(shù)寫入控制器，生成控制電路；

⑧測試數(shù)字再平衡回路動靜態(tài)性能，實時獲取反饋力矩電流動態(tài)，進行陀螺儀漂移測試、八位置翻滾測試、標度因數(shù)標度測試；最后根據(jù)實驗結(jié)果提交實驗報告。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來的有益效果是：

本發(fā)明的基于網(wǎng)絡(luò)的遠程教學(xué)實驗系統(tǒng)及實驗方法，以陀螺儀硬件生成及測試系統(tǒng)為基礎(chǔ)設(shè)計的測控電路綜合實驗，集成了放大、分離、解調(diào)、運算、控制電路模塊的設(shè)計仿真與在線測試；不僅可以消除貴重儀器與學(xué)生之間的距離，將理論知識和實際應(yīng)用更好地結(jié)合起來，還可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)系統(tǒng)辨識的相關(guān)知識，獨立完成整個設(shè)計實驗，達到了提升學(xué)生綜合能力的目的；此外，在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)的建立不僅可以更好地幫助學(xué)生實現(xiàn)問題及時交流討論，而且可以使得學(xué)生的知識體系搭建更加系統(tǒng)；線上教學(xué)與線上解答可以實現(xiàn)課堂的延展性，達到更好地教學(xué)效果；有效地解決了傳統(tǒng)教學(xué)課時緊張、實驗效果差、學(xué)生互動性欠缺的若干不足。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于網(wǎng)絡(luò)的遠程教學(xué)實驗系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實驗系統(tǒng)中陀螺儀實驗平臺的電路原理圖；

圖3是本發(fā)明基于網(wǎng)絡(luò)的遠程教學(xué)實驗方法的流程圖；

圖4是本發(fā)明實驗方法中遠程實驗部分的流程圖。

附圖標記:1用戶；2園區(qū)網(wǎng)絡(luò)；3應(yīng)用服務(wù)器；4數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；5中心服務(wù)

器；6以太網(wǎng)絡(luò)；7設(shè)備服務(wù)器；8陀螺儀實驗平臺；801數(shù)據(jù)處理工控機；

802數(shù)據(jù)采集與控制裝備；803控制電路；804電源柜；805數(shù)字再平衡回路；

806陀螺儀；807高精度轉(zhuǎn)臺；808實時攝像系統(tǒng)；809實驗現(xiàn)場。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。

如圖1所示，本發(fā)明的基于網(wǎng)絡(luò)的遠程教學(xué)實驗系統(tǒng)，由實驗系統(tǒng)本體構(gòu)成，所述實驗系統(tǒng)本體包括依次連接的應(yīng)用服務(wù)器3、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器4和中心服務(wù)器5，所述中心服務(wù)器5通過園區(qū)網(wǎng)絡(luò)2可與多個用戶1(如手機、電腦終端等)進行通信，所述中心服務(wù)器5通過以太網(wǎng)絡(luò)6與設(shè)備服務(wù)器7進行通信，所述設(shè)備服務(wù)器7至少連接有一個陀螺儀實驗平臺8。

其中，園區(qū)網(wǎng)絡(luò)2主要是實現(xiàn)了用戶1與中心服務(wù)器5的連接功能。以太網(wǎng)絡(luò)6主要是實現(xiàn)了設(shè)備服務(wù)器7與中心服務(wù)器5的連接功能，實現(xiàn)了陀螺儀實驗平臺8的遠程控制。應(yīng)用服務(wù)器3和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器4可以用于記錄設(shè)備運行狀況或者維護設(shè)備。中心服務(wù)器5是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享和實驗控制的事務(wù)中心，可以接受來自用戶1的指令與參數(shù)，經(jīng)過處理后將其發(fā)給設(shè)備服務(wù)器7實現(xiàn)控制；當接收到來自設(shè)備服務(wù)器7的實驗結(jié)果時，通過園區(qū)網(wǎng)絡(luò)2實時顯示在用戶1的界面。設(shè)備服務(wù)器7接收由中心服務(wù)器5發(fā)送的參數(shù)并發(fā)送至陀螺儀實驗平臺8進行實驗測試，同時實時采集實驗結(jié)果并通過以太網(wǎng)絡(luò)6返回至中心服務(wù)器5，按照時序處理順序?qū)崿F(xiàn)用戶1與陀螺儀實驗平臺8之間的實時控制。

如圖2所示，所述陀螺儀實驗平臺8包括與設(shè)備服務(wù)器7相互連接的數(shù)據(jù)處理工控機801，所述數(shù)據(jù)處理工控機801分別與數(shù)據(jù)采集與控制裝備802、數(shù)字再平衡回路805和實時攝像系統(tǒng)808相互連接，所述數(shù)據(jù)處理工控機801輸出端還連接有控制電路803和高精度轉(zhuǎn)臺807。所述控制電路803分別與數(shù)據(jù)采集與控制裝備802和數(shù)字再平衡回路805相互連接。所述控制電路803輸出端分別連接電源柜804與陀螺儀806力矩器，陀螺儀806信號器輸出端連接控制電路803輸入端，所述陀螺儀806設(shè)置于高精度轉(zhuǎn)臺807上。電源柜804輸出端連接由陀螺儀806和高精度轉(zhuǎn)臺807構(gòu)成的實驗現(xiàn)場809，電源柜804包括激磁電源、電路板電源以及陀螺儀三相電源，主要為整個實驗平臺組件供電。所述實時攝像系統(tǒng)808作為本發(fā)明的顯示單元，對實驗現(xiàn)場809進行攝錄，負責(zé)實時直觀的顯示用戶遠程的控制效果。高精度轉(zhuǎn)臺807和陀螺儀806構(gòu)成本發(fā)明的測試組件，作為實驗?zāi)繕说妮d體，可以讓用戶觀察自主設(shè)計程序的控制效果。數(shù)據(jù)處理工控機801、數(shù)據(jù)采集與控制裝備802和數(shù)字再平衡回路805構(gòu)成本發(fā)明的處理單元，是目標層程序?qū)崿F(xiàn)的載體，是用戶控制程序?qū)崿F(xiàn)的主體。

本發(fā)明負責(zé)提供用戶程序與網(wǎng)絡(luò)空間來實現(xiàn)實驗功能與學(xué)習(xí)信息交流。學(xué)生進行系統(tǒng)注冊，之后進入系統(tǒng)，進行理論學(xué)習(xí)的部分，通過了解學(xué)習(xí)目標、課程信息、理論學(xué)習(xí)資源以及在線課堂的講解，進行在線教學(xué)，學(xué)習(xí)教學(xué)課件掌握理論知識。之后進入遠程實驗系統(tǒng)，提供用戶實驗基本信息，實驗?zāi)康囊约斑h程控制的途徑，可讓用戶更好的完成學(xué)習(xí)任務(wù)，實現(xiàn)學(xué)習(xí)目標。首先進行系統(tǒng)的模型辨識，將辨識模型回傳到用戶，進行電路設(shè)計仿真，仿真成功后將電路參數(shù)發(fā)至實驗平臺生成回路，進而進行一系列的測試環(huán)節(jié)，最后填寫實驗報告。在整個學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生都可進入信息交流系統(tǒng)，進行在線答疑和課程論壇進行討論，負責(zé)用戶學(xué)習(xí)信息的共享與交流，課程還設(shè)計了定期的階段性自我檢測以及在線的課程指導(dǎo)，以鞏固學(xué)生所學(xué)的知識。

借助上述基于網(wǎng)絡(luò)的遠程教學(xué)實驗系統(tǒng)的實驗方法，如圖3所示，包括以下步驟：

步驟一，學(xué)生或管理者進行登錄注冊：若是管理者，登錄后進入后臺管理部分，發(fā)布首頁公告，進行教學(xué)目標和系統(tǒng)信息的更新，或增刪教師信息，或修改用戶個人資料，或清除存有數(shù)據(jù)；若是學(xué)生，進行用戶注冊經(jīng)教師審核后成為正式用戶，進入教學(xué)系統(tǒng)。

步驟二，學(xué)生進入教學(xué)系統(tǒng)后選擇理論學(xué)習(xí)部分：查看信息公告，了解課程目標、學(xué)習(xí)任務(wù)等要求；按時進入在線課堂進行學(xué)習(xí)，在課后進入教學(xué)課件模塊下載相關(guān)資料進行課后鞏固復(fù)習(xí)。

步驟三，在理論學(xué)習(xí)部分結(jié)束之后進入遠程實驗部分，依次進行陀螺儀模型辨識、實驗仿真、回路生成、陀螺測試和實驗報告。如圖4所示，具體過程如下：

①根據(jù)陀螺儀機理的先驗知識，由學(xué)生設(shè)計激勵信號并構(gòu)造模型類；

②將設(shè)計參數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至陀螺儀實驗平臺；

③將陀螺儀放置于高精度位置速率轉(zhuǎn)臺上，陀螺儀x、y軸分別與高精度位置速率轉(zhuǎn)臺的內(nèi)外框的自轉(zhuǎn)軸平行，陀螺儀測試組件上電進行預(yù)熱，將設(shè)計的激勵信號輸入陀螺儀力矩器端，并采集輸入輸出數(shù)據(jù)；

④分析陀螺儀輸入輸出數(shù)據(jù)，通過aic準則和fpe準則判定模型階數(shù)，并估計試用模型參數(shù)；

⑤對試用模型進行殘差分析和擬合度檢驗，以驗證試用模型是否合適，若合適返回用戶后驗?zāi)Ｐ?，若不合適返回錯誤信息，并重新設(shè)計模型類以及激勵信號；

⑥用戶根據(jù)后驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計控制器參數(shù)，以獲得滿足陀螺儀穩(wěn)定的相位裕度、幅值裕度，通過仿真環(huán)節(jié)仿真開環(huán)幅頻特性、開環(huán)相頻特性、閉環(huán)節(jié)約響應(yīng)、閉環(huán)幅頻特性曲線驗證控制器；

⑦若仿真不通過返回重新設(shè)計控制器參數(shù)，若仿真通過將設(shè)計參數(shù)發(fā)送至陀螺儀實驗平臺并將設(shè)計參數(shù)寫入控制器，生成控制電路；

⑧測試數(shù)字再平衡回路動靜態(tài)性能，實時獲取反饋力矩電流動態(tài)，進行陀螺儀漂移測試、八位置翻滾測試、標度因數(shù)標度測試；最后根據(jù)實驗結(jié)果提交實驗報告。

步驟四，學(xué)生進入信息交流部分進行問題討論：系統(tǒng)會發(fā)布在線答疑開放時間，學(xué)生進入在線答疑進行提問并獲得解答；或進入課程論壇，與其他用戶進行問題交流；每隔一段時間會有階段測試，對學(xué)生所學(xué)知識進行鞏固。

盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的功能及工作過程進行了描述，但本發(fā)明并不局限于上述的具體功能和工作過程，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可以做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。