“自動化系統(tǒng)綜合設(shè)計”實踐課程教學(xué)探討

魯興舉,彭學(xué)鋒,鄭志強

(國防科技大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院,湖南長沙 410073）

“自動化系統(tǒng)綜合設(shè)計”實踐課程教學(xué)探討

魯興舉,彭學(xué)鋒,鄭志強

(國防科技大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院,湖南長沙 410073）

作為自動化專業(yè)本科生的綜合性實踐環(huán)節(jié),“自動化系統(tǒng)綜合設(shè)計”課程要求學(xué)生完成一個典型控制系統(tǒng)的完整設(shè)計過程,包括系統(tǒng)方案設(shè)計、數(shù)學(xué)建模、計算機輔助分析設(shè)計仿真、系統(tǒng)物理實現(xiàn)、系統(tǒng)調(diào)試、性能測定及結(jié)果分析等。教師在實施教學(xué)時,應(yīng)針對自動化專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo),進行合理的選題布置,以多個指導(dǎo)教師對多個學(xué)生的形式指導(dǎo)學(xué)生完成設(shè)計全過程。綜合設(shè)計的難度和實施方法均有別于課程設(shè)計或畢業(yè)設(shè)計,對提高學(xué)生綜合設(shè)計實際控制系統(tǒng)的能力和培養(yǎng)創(chuàng)新意識與工程實踐素養(yǎng)具有重要的作用。

自動化專業(yè);實踐教學(xué);綜合設(shè)計

“自動化系統(tǒng)綜合設(shè)計”實踐課程是我校機電工程與自動化學(xué)院自動化專業(yè)新增的一門本科生實習(xí)(實訓(xùn)類)課程,是比課程設(shè)計更高層次的綜合性系統(tǒng)設(shè)計課程。該課要求學(xué)生經(jīng)歷一個典型控制系統(tǒng)的完整設(shè)計過程,包括系統(tǒng)方案設(shè)計、數(shù)學(xué)建模、計算機輔助仿真分析與綜合、系統(tǒng)物理實現(xiàn)、系統(tǒng)調(diào)試、性能測定及結(jié)果分析等,最后完成綜合設(shè)計報告。整個設(shè)計任務(wù)要求學(xué)生在兩周內(nèi)完成。

1 實踐教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

我校自動化專業(yè)本科生的實踐教學(xué)層次為:課程實驗※課程設(shè)計※綜合設(shè)計(實習(xí)/實訓(xùn))※畢業(yè)設(shè)計?？梢钥闯?綜合設(shè)計是課程設(shè)計的延伸,是整個實踐教學(xué)體系中的重要一環(huán)。

我們在選題時,向?qū)W生提供了大量實際控制系統(tǒng),如調(diào)速控制系統(tǒng)、磁懸浮控制系統(tǒng)、倒立擺控制系統(tǒng)、風(fēng)擺控制系統(tǒng)、球棒控制系統(tǒng)、XY運動平臺控制系統(tǒng)、四軸運動控制系統(tǒng)、冗余并聯(lián)機器人、雙旋翼控制系統(tǒng)、火炮和雷達跟蹤伺服控制系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)有些是不穩(wěn)定、非線性和非最小相位的;有些是欠驅(qū)動系統(tǒng)和冗余控制系統(tǒng);有單變量和多變量的系統(tǒng);有鎮(zhèn)定控制和跟蹤控制;有運動控制和運動規(guī)劃。學(xué)生將綜合運用經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制及計算機控制等理論,對實際系統(tǒng)進行分析與綜合[1]。

對綜合設(shè)計選題,學(xué)生不僅可以在指定的范圍內(nèi)自由選擇,還可以根據(jù)自己的興趣自擬題目。我們每年所擬定的綜合設(shè)計內(nèi)容及要求均不盡相同,有些題目雖然相同,但研究工作要求更加深入。比如倒立擺控制系統(tǒng),上一學(xué)年要求學(xué)生對不同形式的倒立擺系統(tǒng)進行建模及仿真,本學(xué)年則要求學(xué)生設(shè)計新的控制算法,進行仿真并在倒立擺實驗裝置上進行調(diào)試和驗證,下一學(xué)年可要求在倒立擺的控制性能上進行更進一步的深入分析和設(shè)計[2]。

2 綜合設(shè)計教學(xué)實施

1)教學(xué)實施過程

(1)布置綜合設(shè)計任務(wù),學(xué)生自主組合(每組6人左右),自主選題。選定題目后應(yīng)明確各成員的任務(wù)分工。如:總體設(shè)計及協(xié)調(diào),文獻資料查閱,系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模、分析及仿真,軟件編程,硬件設(shè)計實現(xiàn)及調(diào)試等方面。

(2)各組在閱讀相關(guān)文獻、資料的基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)方案的初步設(shè)計,撰寫并提交一份格式不限的方案簡單報告,包括研究內(nèi)容、人員分工、計劃進度及初步技術(shù)方案。

(3)采用解析法或?qū)嶒灧ㄟM行控制對象的數(shù)學(xué)建模,利用Matlab/Simu link等進行控制系統(tǒng)的分析與綜合,完成控制系統(tǒng)的理論設(shè)計。

(4)對設(shè)計的控制系統(tǒng)進行物理實現(xiàn),特別是控制器的實現(xiàn)及系統(tǒng)調(diào)試實驗。

(5)對調(diào)試成功的系統(tǒng)進行性能測試和分析,并通過教師驗收。

(6)總結(jié)綜合設(shè)計工作,全組共同完成綜合設(shè)計報告撰寫。

(7)最后,教師組織一次綜合設(shè)計匯報與交流活動,學(xué)生對系統(tǒng)設(shè)計過程中的經(jīng)驗與教訓(xùn)進行總結(jié),對未能解決的疑難問題進行討論。

(8)我們要求學(xué)生組長對本組成員給出成績建議和理由,教師結(jié)合各組綜合設(shè)計報告中的成員工作量和成果,對學(xué)生成績進行評定。

2)教學(xué)實施流程

在兩周的綜合設(shè)計實驗期間,實驗室采取全開放的管理模式,學(xué)生自由控制來實驗室的時間,但總時間不少于10天。具體教學(xué)流程安排如下:①綜合設(shè)計選題;②系統(tǒng)方案論證和設(shè)計;③系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模和分析;④系統(tǒng)模型參數(shù)測定;⑤控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計;⑥控制器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定與物理實現(xiàn);⑦系統(tǒng)物理實現(xiàn)與調(diào)試;⑧系統(tǒng)調(diào)試與系統(tǒng)性能測試;⑨實驗數(shù)據(jù)整理與分析;⑩綜合設(shè)計匯報與交流活動。

以上每個環(huán)節(jié)約為一天。實施過程中除集中的選題安排和驗收交流等工作外,可酌情略作調(diào)整。

3)教學(xué)組織方式

在綜合設(shè)計中,學(xué)生多人一組可以培養(yǎng)團隊協(xié)作精神。綜合設(shè)計小組的成員必須進行分工協(xié)作,各自發(fā)揮所長,才能更好地完成任務(wù)。具體分工內(nèi)容有總體、分系統(tǒng),資料、進度、技術(shù),軟件、硬件,數(shù)學(xué)建模、分析、仿真、編程和調(diào)試等。

由多個教師組成的導(dǎo)師組成員在選題、方案論證、理論分析、系統(tǒng)設(shè)計、實驗調(diào)試和數(shù)據(jù)分析等多個環(huán)節(jié)指導(dǎo)學(xué)生,使其得到全面鍛煉和提高。

3 結(jié)語

“自動化系統(tǒng)綜合設(shè)計”實踐課程只明確實驗的目的與要求,由學(xué)生自行選定實驗題目后設(shè)計實驗方案并加以實現(xiàn)。綜合設(shè)計教學(xué)內(nèi)容上具有選題的開放性和任務(wù)的系統(tǒng)性,有利于培養(yǎng)學(xué)生自主設(shè)計和方案實現(xiàn)的能力,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)新意識。學(xué)生設(shè)計小組和導(dǎo)師組的教學(xué)方式有利于培養(yǎng)學(xué)生獨立思考與團結(jié)協(xié)作相結(jié)合的能力。學(xué)生可以綜合運用知識和文獻、提出問題和解決復(fù)雜問題的能力。由此,學(xué)生的綜合設(shè)計實際系統(tǒng)的能力創(chuàng)新意識明顯提高。

[1] 彭學(xué)鋒,劉建斌,魯興舉.自動控制原理實踐教程[M].北京:中國水利水電出版社,2006

[2] 楊澤斌,孫玉坤,譚倫農(nóng).電氣工程及其自動化專業(yè)實踐教學(xué)的探索與思考[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報,2007,29(1):69-71

Discussion on the Teaching for Automatic Control System Integrated Design Project

LU Xing-ju,PENG Xue-feng,ZHENG Zhi-qiang

(Co llege of E lectromechanica l Eng ineering&Automation,NationalUniversity o f Defence Techno logy,Changsha 410073,China)

As a practical course for undergraduate of autom ation major,the Automatic Control System Design project provides a comp lete process to design a typical control system.Thewhole process includes system scheme contriving,mathem aticalmodel estab lishing,CAD analysis and synthesis,contro ller actualization,system test run,performancemeasure and conclusion drawing.According to the goalofautomation m ajor education,it shou ld be p rovided p roject p rob lem s reasonably,and teaching by the m ode of som e-teachers-to-som e-students.The difficulty and teachingmethods of thedesign projectdistinguish from general course design and graduation design,so the project plays an im portant role in enhancing students'ability o f real contro l system design and training students'innovation thought and engineering accomp lishment.

automation major;practice teaching;integrated project

G647

A

1008-0686(2011)02-0055-02

2010-09-27;

2010-12-23

魯興舉(1977-),男,博士生,講師,主要從事精確制導(dǎo)與控制教學(xué)與科研工作,E-mail:luxingju@163.com

彭學(xué)鋒(1964-),男,碩士,副教授,主要從事精確制導(dǎo)與控制教學(xué)與科研工作;

鄭志強(1965-),男,教授,主要從事精確制導(dǎo)與控制教學(xué)與科研工作。