自動控制應(yīng)用設(shè)計課程的研究與探索

(天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天津 300350)

引言

結(jié)合高職類學(xué)生在進(jìn)入大三階段學(xué)習(xí)時，普遍存在面臨畢業(yè)心浮氣躁，不能塌下心來學(xué)習(xí)理論知識的特點，我們將電氣自動化專業(yè)學(xué)生的大三課程大部分都改成了動手為主的課程。結(jié)合電機(jī)拖動、電力電子技術(shù)、自動控制原理、MATLAB和計算機(jī)控制技術(shù)等多門課程的部分內(nèi)容，我們首創(chuàng)開發(fā)了一門名為自動控制應(yīng)用設(shè)計的兼?zhèn)渚C合性和實踐性的課程。該課程以動手實踐為主體，采用任務(wù)導(dǎo)向的教學(xué)方法，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。通過完成實際自動控制項目，使學(xué)生進(jìn)一步鞏固、深化和整合擴(kuò)充在電機(jī)拖動、自動控制系統(tǒng)、MATLAB、計算機(jī)控制技術(shù)及其它相關(guān)課程方面的基本知識、基本理論和基本技能，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、分析和解決實際問題的能力，并進(jìn)一步培養(yǎng)其創(chuàng)新能力，提高其動手能力。學(xué)生在綜合運用所學(xué)知識，解決自動化專業(yè)方向的實際問題方面得到系統(tǒng)性的訓(xùn)練，培養(yǎng)了其工程實踐能力。本課程是和學(xué)生將來的工作崗位“微距離”的學(xué)習(xí)領(lǐng)域。課程的內(nèi)容從生產(chǎn)實際的角度提出問題，到應(yīng)用自控理論分析問題，再到設(shè)計系統(tǒng)來解決問題，由簡入繁，由低到高，環(huán)環(huán)相扣的進(jìn)行。

一、 培養(yǎng)目標(biāo)

高等職業(yè)教育是各類教育中與經(jīng)濟(jì)發(fā)展聯(lián)系最為緊密的，它培養(yǎng)的是生產(chǎn)和建設(shè)第一線的應(yīng)用性、實用性人才(即具有較強(qiáng)技能的人才)。我們只有注重學(xué)生能力的培養(yǎng)，優(yōu)化高職人才教學(xué)培養(yǎng)過程，才能培育出基礎(chǔ)扎實、知識面寬、具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力、具備一定的工程技術(shù)研究與應(yīng)用能力的自動化專業(yè)復(fù)合型人才。

通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)各種基本技能的整合、遷移，形成更高一級的綜合技能，從而能夠獨立開發(fā)小型的自動控制系統(tǒng)，能夠在電氣工程師的帶領(lǐng)下參加大中型自動控制系統(tǒng)的開發(fā)。

專業(yè)知識方面，我們要求學(xué)生掌握自控系統(tǒng)總體方案設(shè)計的方法，包括系統(tǒng)的功能確定、控制方案的選擇及工藝參數(shù)的測量范圍確定等內(nèi)容，能夠畫出系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖；了解按選定的系統(tǒng)方案，確定系統(tǒng)電路形式，選擇各參數(shù)檢測元件及變送器的過程；了解按規(guī)定的技術(shù)要求，確定系統(tǒng)閉環(huán)結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)器形式，確定控制算法的過程；了解系統(tǒng)調(diào)試、實驗或仿真的方法。

素質(zhì)能力方面，通過分組完成項目任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作精神，鍛煉學(xué)生溝通交流、自我學(xué)習(xí)的能力。通過項目需求分析與方案論證，培養(yǎng)學(xué)生搜集信息、整理信息、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。通過項目實施、系統(tǒng)調(diào)試與答辯，提高學(xué)生實踐動手能力、觀察與創(chuàng)新思維能力、解決問題能力及書面與口頭表達(dá)能力。實驗室實施5S管理理念，從而培養(yǎng)學(xué)生形成規(guī)范的操作習(xí)慣、養(yǎng)成良好的職業(yè)行為習(xí)慣。

二、 教學(xué)內(nèi)容

本課程根據(jù)實際控制工程需求構(gòu)建系統(tǒng)，以系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)校正為主線，以MATLAB為主要設(shè)計分析的工具和手段，應(yīng)用控制系統(tǒng)的內(nèi)在控制規(guī)律及PID調(diào)節(jié)規(guī)律等基本的分析設(shè)計體系。在整個教學(xué)過程中，均采用任務(wù)向?qū)Х?，將MATLAB語言、計算機(jī)仿真貫穿于自動控制開發(fā)構(gòu)建之中，使學(xué)生對控制系統(tǒng)的組成、分析、設(shè)計、綜合等各個環(huán)節(jié)及系統(tǒng)概念有全面的認(rèn)識和理解。著重培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題和解決問題的能力。教學(xué)內(nèi)容安排融知識傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)教育于一體。除此之外，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，實現(xiàn)“把任務(wù)帶回宿舍，把課堂帶回宿舍”的輔助教學(xué)模式，使學(xué)生將學(xué)習(xí)重點從課上搬到課下，著重培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題和解決問題的能力。

具體的說，這門課程需要學(xué)生綜合運用所學(xué)知識完成兩個工程項目，需要學(xué)生掌握自控系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試技術(shù)，并且需要學(xué)生結(jié)合以前學(xué)過的電路知識、電機(jī)與拖動、電力電子技術(shù)、自控原理以及MATLAB語言等知識。在設(shè)計過程中學(xué)生會不斷發(fā)現(xiàn)問題和提出問題，自己嘗試著去尋求問題的答案，探索解決問題的途徑和方法，把積累知識的過程變成同時形成能力的過程，在增進(jìn)知識的同時增進(jìn)創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力。這兩個工程項目分別為直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真和交流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真。兩個模塊的學(xué)習(xí)內(nèi)容相似，用類比的方法加深加強(qiáng)教學(xué)效果。直流調(diào)速是基礎(chǔ)，交流調(diào)速是發(fā)展趨勢。

1. 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

該學(xué)習(xí)情境包括三個子項目，分別為直流電機(jī)與仿真、開環(huán)調(diào)速與仿真和直流閉環(huán)調(diào)速與仿真。其主要內(nèi)容是根據(jù)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成，掌握該系統(tǒng)的工作原理，并畫出控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。應(yīng)用MATLAB及Simlink 進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計仿真。進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)選擇計算，控制系統(tǒng)硬件設(shè)計和控制系統(tǒng)集成，包括系統(tǒng)各組成部件的正確連接、模擬部件及傳感器工作狀態(tài)與參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)反饋通道的連接等。進(jìn)行控制系統(tǒng)的調(diào)整與性能測試，在系統(tǒng)集成的條件下，檢查系統(tǒng)性能是否滿足給定指標(biāo)要求，并最后記錄相關(guān)的性能指標(biāo)。

2. 交流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

該學(xué)習(xí)情境也包括三個子項目，分別為交流電機(jī)與仿真、PWM控制與仿真和異步電機(jī)矢量控制與仿真，知識內(nèi)容采用層層遞進(jìn)的方法，逐漸增加難度。其主要內(nèi)容是根據(jù)交流調(diào)速系統(tǒng)的組成及功能要求，了解該系統(tǒng)的工作原理，并畫出控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)系統(tǒng)功能要求確定控制方案，控制算法。應(yīng)用MATLAB及Simlink 仿真。進(jìn)行控制系統(tǒng)硬件設(shè)計和控制系統(tǒng)集成，選擇合適的硬件設(shè)備并進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)選擇計算，包括系統(tǒng)各組成部件的正確連接、模擬部件及傳感器工作狀態(tài)與參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)反饋通道的連接等。最后進(jìn)行控制系統(tǒng)的調(diào)整與性能測試，在系統(tǒng)集成的條件下，檢查系統(tǒng)性能是否滿足給定指標(biāo)要求，并最后記錄相關(guān)的性能指標(biāo)。

三、 教學(xué)方法

本課程的實踐性很強(qiáng)，與工程實際聯(lián)系密切，教學(xué)過程中要注意實踐知識的學(xué)習(xí)和積累。教學(xué)中要特別注意引導(dǎo)學(xué)生利用現(xiàn)代技術(shù)手段，以保證在學(xué)時有限的情況下，完成內(nèi)容豐富的設(shè)計任務(wù)。本課程采用任務(wù)驅(qū)動法組織教學(xué)，整班教學(xué)與分組教學(xué)相結(jié)合。模型講解、分組討論、課外網(wǎng)上查詢等多種教學(xué)方法靈活組合，以此能夠減輕學(xué)生的生理和心理疲勞，充分發(fā)揮學(xué)生的主體性，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力和探究意識。

在整班教學(xué)中，教師首先提供一些相關(guān)背景知識及教學(xué)資源，幫助學(xué)生理解項目功能要求；然后展示調(diào)速系統(tǒng)參考模型，將其直觀的擺到學(xué)生的面前，讓學(xué)生看的到，摸得找；最后帶領(lǐng)同學(xué)將模型拆分開來，了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，構(gòu)建方法，找到其中的不足，布置任務(wù)讓學(xué)生去完善。因為有參考模型，拆裝和講解的整個過程能夠充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，給學(xué)生留下較深刻的印象。在分組教學(xué)中，教師安排一些任務(wù)讓學(xué)生完成，學(xué)生通過小組討論、分工合作或利用網(wǎng)絡(luò)資源等其他活動來完成任務(wù)，教師只在必要時對學(xué)生指導(dǎo)和幫助，僅僅起到導(dǎo)游和導(dǎo)演的作用，學(xué)生在完成任務(wù)的過程中，發(fā)揮了自身主體性和主動性，體驗了成功的喜悅，滿足了表現(xiàn)自我的愿望，學(xué)到了原本以為神秘高深的知識。同時需要使用很多自控原理的知識，需要學(xué)生進(jìn)行一些具體的計算，這對高職類的學(xué)生來說是一個難點。為了解決難題，要將MATLAB語言應(yīng)用于本課程的設(shè)計中，使得設(shè)計中一些繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和計算得以解決，同時通過仿真，使學(xué)生感到本設(shè)計簡單易學(xué)，減少對工程設(shè)計的恐懼感，也增加了學(xué)生對所學(xué)專業(yè)的興趣。

四、 考核方式

對學(xué)生學(xué)習(xí)效果整體評價不僅要關(guān)注考核結(jié)果，更要關(guān)心他們在學(xué)習(xí)過程中的變化和發(fā)展。應(yīng)將過程評價和結(jié)果評價相結(jié)合，定性與定量相結(jié)合。同時要考慮學(xué)生參與教學(xué)活動的程度，獨立思考的習(xí)慣，解決專業(yè)問題的能力，自我接受新知識的能力等方面。充分關(guān)注學(xué)生的個性差異，發(fā)揮評價的激勵作用。

本課程考核采用日?？己伺c系統(tǒng)開發(fā)作品相結(jié)合的方式，其中平時成績占總分的30%，作品成績占總分的70%，課程總成績?yōu)榘俜种疲?0分以上(包括60分)算合格。

日?？己酥饕獜慕M織紀(jì)律、人際交往、團(tuán)隊協(xié)作、環(huán)境意識和學(xué)習(xí)方法幾方面綜合考核學(xué)生。要求學(xué)生不能缺勤、遲到、早退；積極參加討論，主動提問或回答問題，樂于幫助他人有效學(xué)習(xí)；積極參加討論，主動提問或回答問題，樂于幫助他人有效學(xué)習(xí)；保持環(huán)境，不損壞公物；積極參加網(wǎng)上討論活動，主動開展自我學(xué)習(xí)。

作品考核主要從系統(tǒng)設(shè)計能力、系統(tǒng)調(diào)試能力、系統(tǒng)功能實現(xiàn)和文字相關(guān)材料撰寫等四個方面進(jìn)行考核評分。

考核評分時，每組都要組織討論組長布置任務(wù)的完成情況，每位同學(xué)需將自己搜集整理的內(nèi)容列成提綱，給其他組員講解，任務(wù)完成情況成為考核標(biāo)準(zhǔn)；每組抽選若干名同學(xué)做工作匯報，接受提問，具體要求如下：一是報告要清楚，有一定的邏輯性要強(qiáng)，采用PPT輔助講解；二是回答問題清楚明確；三是態(tài)度端正，儀表大方。

五、 總結(jié)

經(jīng)過連續(xù)三年面向電氣自動化專業(yè)畢業(yè)班學(xué)生的教學(xué)實踐，我們發(fā)現(xiàn)，與原有大三學(xué)生的課程相比，新課程自動控制應(yīng)用設(shè)計能夠大幅提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在鍛煉學(xué)生的綜合應(yīng)用能力基礎(chǔ)上，增強(qiáng)了學(xué)生的團(tuán)隊意識，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識。新課程在教學(xué)方面取得了顯著的成果，但為了培養(yǎng)更好的適應(yīng)社會需要的高職人才，此課程還有很長的探索研究之路。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊青.“電力拖動自動控制系統(tǒng)”課程建設(shè)的改革與實踐[J].中國電力教育，2013，(02).

[2]付曉軍,馮邦軍.基于MATLAB仿真平臺的《自動控制技術(shù)》課程教學(xué)改革研究[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報,2010,(04).

[3]孫榕澤,王一霖,閆碩,戴慧星.基于虛擬技術(shù)的《自動控制原理》課程仿真實驗系統(tǒng)[J].科技視界,2013,(02).

[4]范振瑞.MATLAB在高職自動化專業(yè)《自動控制原理》課程中的教學(xué)應(yīng)用研究[J].軟件,2013,(03).