自動控制原理模塊化實驗教學模式研究

高宏巖，張開如

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

自動控制原理模塊化實驗教學模式研究

高宏巖，張開如

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島 266590)

對自動控制原理實驗教學模式進行研究，根據(jù)不同專業(yè)、不同層次學生的需求，將實驗教學劃分為四個模塊，即驗證性、設(shè)計性、創(chuàng)新性和綜合性實驗模塊，并給出了四個實驗模塊的內(nèi)容設(shè)計和實施辦法。教學實踐表明，形式多樣的實驗教學設(shè)計有助于培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和工程意識，加深學生對自動控制原理基礎(chǔ)知識的理解，提高學生分析和設(shè)計控制系統(tǒng)的能力。

自動控制原理；實驗教學；模塊化；研究

自動控制原理是工科院校電氣信息類、機械類等相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其主要任務(wù)是通過控制理論的學習，使學生掌握分析和設(shè)計控制系統(tǒng)的基本方法[1]，培養(yǎng)學生解決控制工程問題的實踐能力和創(chuàng)新能力。自動控制原理課程概念抽象，數(shù)學推導煩瑣，往往造成學生對課程的理解停留在理論層面上，難以將理論和實際有機結(jié)合。通過對自動控制原理實驗教學內(nèi)容的合理設(shè)計，不僅可以加深學生對控制理論知識的理解，也有利于提高學生解決控制工程問題的實踐能力和創(chuàng)新能力[2]。在山東科技大學原有的自動控制原理實驗教學中，驗證性實驗占有主導地位，即學生在自動控制原理實驗箱上，遵循實驗指導書中的實驗步驟完成實驗接線，便可獲得所需的實驗結(jié)果。針對上述問題，我們對自動控制原理課程的實驗教學模式進行了改革和探討，根據(jù)不同專業(yè)、不同層次學生的需求，將實驗教學內(nèi)容設(shè)計為四個實驗模塊：(1)驗證性實驗；(2)設(shè)計性實驗；(3)創(chuàng)新性實驗；(4)綜合性實驗。這種實驗教學設(shè)計旨在通過各種形式的實驗教學環(huán)節(jié)，活躍學生的思維，使實驗手段多樣化，不再局限于實驗指導書所限定的范圍之內(nèi)，有助于培養(yǎng)學生探索精神和創(chuàng)新意識，充分發(fā)揮實驗本身的效能。

1 自動控制原理實驗體系研究

我校自動控制原理課程是山東省精品課程，其實驗課程開設(shè)面向自動化、電氣工程及其自動化、電子信息工程、生物醫(yī)學工程、建筑環(huán)境與設(shè)備工程、測試技術(shù)與儀器等諸多專業(yè)，修課學生人數(shù)近千名。由于學生的專業(yè)背景不同，自動控制原理實驗課程應(yīng)根據(jù)學生的專業(yè)特點和層次需求有所側(cè)重。經(jīng)過近幾年的教學實踐，我們構(gòu)建了“驗證性實驗+設(shè)計性實驗+創(chuàng)新性實驗+綜合性實驗”模塊化模式的自動控制原理實驗課程體系。這種模塊化模式的實驗課程體系以培養(yǎng)學生基本技能的驗證性實驗為基礎(chǔ)。驗證性實驗將抽象的理論知識以實驗的方式具體化、形象化，學生通過熟悉實驗過程和觀察實驗現(xiàn)象，加深對控制理論知識的理解。與驗證性實驗不同，設(shè)計性實驗不是由教師給出完整的實驗過程，而是由學生根據(jù)給定的設(shè)計目標自行設(shè)計實驗過程，要求學生運用自動控制基本原理進行簡單控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計，掌握改善控制系統(tǒng)性能的方法，實現(xiàn)基本理論的實際應(yīng)用。驗證性和設(shè)計性實驗是所有修課學生的必修實驗。自動控制原理創(chuàng)新性實驗是山東科技大學電氣與自動化學院電氣信息類本科學生開設(shè)的“創(chuàng)新性實驗”選修課程之一。創(chuàng)新性實驗為全院本科生提供了一個自主選擇題目、自由發(fā)揮能力的平臺，其目的在于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、發(fā)散思維和工程實踐能力。綜合性實驗中，將實驗室具有的實物對象提供給學生進行設(shè)計和開發(fā)，學生可以根據(jù)自己的興趣愛好選取實驗題目，并綜合利用自動控制原理知識及相關(guān)學科知識完成實驗設(shè)計和實驗操作?；趯嵨飳ο蟮木C合性實驗更有利于學生將所學的基礎(chǔ)理論知識與生產(chǎn)實際相結(jié)合，對培養(yǎng)學生的工程應(yīng)用意識具有重要作用。

為了兼顧學院目前現(xiàn)有的實驗條件，各類型實驗可以采用不同的實驗方案。例如，基于自動控制原理實驗箱的硬件模擬實驗、基于Matlab或Multisim軟件的仿真實驗和基于實物對象的實驗方案。目前學院實驗室擁有40套自動控制原理實驗箱，可以滿足修課學生開設(shè)驗證性和設(shè)計性實驗的要求。在自動控制原理的硬件模擬實驗中，學生通過模擬電路的接線、調(diào)試和測量，增強對控制系統(tǒng)信號傳遞、系統(tǒng)組成的理解，進一步熟悉示波器等儀器設(shè)備的使用方法[3]?；贛atlab的數(shù)字仿真實驗可以簡化設(shè)計過程，鍛煉學生通過數(shù)學工具分析和解決實際問題的能力，提高學生的科學素養(yǎng)?；贛ultisim的仿真實驗不再受實驗設(shè)備的限制，學生在完成自動控制原理實驗的同時，掌握了模擬/數(shù)字電路的基本設(shè)計方法?；趯嵨飳ο蟮膶嶒灜h(huán)境模擬了工業(yè)現(xiàn)場，實驗操作和現(xiàn)場操作具有極大的相似性，學生身臨其境進行實驗設(shè)計、硬件接線和現(xiàn)場調(diào)試，使學生的工程設(shè)計和應(yīng)用能力得到全面訓練。

2 模塊化實驗教學內(nèi)容設(shè)計

2.1 驗證性實驗設(shè)計

驗證性實驗是學生按照實驗指導書列寫的實驗步驟，完成實驗操作，并通過對實驗結(jié)果的分析，驗證所學的理論知識。驗證性實驗可以加深學生對抽象化理論的理解，加強學生實驗技能和處理、分析實驗結(jié)果的能力[4]。驗證性實驗運用自動控制原理實驗箱上的放大器、電阻、電容等模擬器件組成典型環(huán)節(jié)和典型系統(tǒng)，學生按照指導書中的實驗步驟對模擬器件進行連線和測試，并通過計算機上安裝的虛擬示波器觀察實驗現(xiàn)象[5]。驗證性實驗的特點是簡單、直觀而且易于實現(xiàn)。驗證性實驗內(nèi)容涉及控制系統(tǒng)的分析問題，包含了7個典型實驗：典型環(huán)節(jié)的時域響應(yīng)；典型系統(tǒng)時域響應(yīng)和穩(wěn)定性分析；線性系統(tǒng)的根軌跡分析；線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析；離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析；典型非線性環(huán)節(jié)實驗；二階非線性系統(tǒng)實驗；三階非線性系統(tǒng)實驗。對于不同專業(yè)的學生，因為授課內(nèi)容和實驗學時不同，可以從上述實驗中選擇全部或部分實驗開設(shè)。

2.2 設(shè)計性實驗設(shè)計

自動控制原理實驗箱的愈加完善，實驗指導步驟的愈加詳細，使得驗證性實驗更易于實現(xiàn)，學生只要按部就班地完成正確接線，即可較快地獲得實驗結(jié)果。這類實驗方式僅是對理論的驗證，缺少必要的實驗設(shè)計環(huán)節(jié)，在一定程度上限制了學生學習能動性的發(fā)揮。為彌補驗證性實驗的不足，將原來4個涉及控制系統(tǒng)設(shè)計問題的驗證性實驗改為設(shè)計性實驗。這4個實驗是：線性連續(xù)系統(tǒng)的校正；采樣控制系統(tǒng)的校正；狀態(tài)反饋設(shè)計與實現(xiàn)；狀態(tài)觀測器設(shè)計。對于設(shè)計性實驗，僅僅給定實驗題目、目的和要求，同時提供實驗設(shè)備，讓學生結(jié)合書本知識自行設(shè)計實驗方案和模擬電路，并在模擬實驗箱或Multisim仿真軟件上加以實現(xiàn)和驗證。由于篇幅所限，僅以第一個實驗“線性連續(xù)系統(tǒng)的校正”為例加以說明。

1)實驗目的和要求

(1)通過實驗使學生掌握串聯(lián)校正網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法以及控制系統(tǒng)模擬實現(xiàn)方法；

(3)設(shè)計校正前、后系統(tǒng)的模擬電路，并用自動控制原理實驗箱或Multisim仿真軟件加以實現(xiàn)；

(4)比較校正前、后系統(tǒng)的性能指標，驗證設(shè)計的校正網(wǎng)絡(luò)是否能使校正后系統(tǒng)滿足性能指標的要求。

2)實驗設(shè)備：PC機一臺，TD-ACC系列自動控制原理實驗箱一套。

與驗證性實驗相比，設(shè)計性實驗指導書不再列寫實驗原理，學生要根據(jù)實驗要求自己結(jié)合所學理論知識進行實驗原理分析和設(shè)計，使學生從“享用美食”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸谱髅朗场?，突出了學生在實驗中的自主性，有效地提高了實驗效能[6]。

2.3 創(chuàng)新性實驗設(shè)計

創(chuàng)新性實驗是在設(shè)計性實驗基礎(chǔ)上引入了工程應(yīng)用背景，與設(shè)計性實驗相比，創(chuàng)新性實驗突出自主性和開放性的特點。自主性是指學生自主選擇實驗題目，自主設(shè)計實驗方案，自主選擇實驗時間，自主完成實驗和實驗報告，指導教師的任務(wù)主要是管理和提供基礎(chǔ)支持。創(chuàng)新性實驗不占用實驗學時，學生只要在規(guī)定的學期內(nèi)完成即可。開放性是指學生通過實驗室開放活動完成實驗，指導教師進行階段檢查和最終實驗考核。創(chuàng)新性實驗對建模方法、設(shè)計方法、控制方式、控制裝置和實現(xiàn)手段等不做任何限制，因此有利于擴展學生的思維，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。

根據(jù)我院“創(chuàng)新性實驗”實施意見，擬定了以下6個實驗題目：機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計與模擬實現(xiàn)；天線指向控制系統(tǒng)的設(shè)計與模擬實現(xiàn)；汽車點火控制系統(tǒng)的設(shè)計與模擬實現(xiàn)；雙容、三容水箱控制系統(tǒng)的設(shè)計和模擬實現(xiàn)飛機速度和姿態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計與模擬實現(xiàn)；電纜卷線機控制系統(tǒng)的設(shè)計和模擬實現(xiàn)。指導教師對控制系統(tǒng)性能指標提出要求，并給出選題建議供學生參考，選題建議一般為：

1)按照校正方法，可選項有：頻域設(shè)計法、根軌跡設(shè)計法和狀態(tài)反饋設(shè)計法等。

2)按照校正方式，可選項有：串聯(lián)校正、反饋校正和復合校正等。

3)按照校正裝置，可選項有：有源校正和無源校正，有源校正包括PID控制器等，無源校正包括超前校正、滯后校正和滯后—超前校正等。

4)按照信號的連續(xù)性，可選項有：連續(xù)控制系統(tǒng)設(shè)計和離散控制系統(tǒng)設(shè)計，離散控制系統(tǒng)設(shè)計又包括模擬化設(shè)計方法和直接數(shù)字化設(shè)計方法。

5)按照實現(xiàn)手段，可選項有：Matlab、Multisim軟件模擬實現(xiàn)或模擬電路實現(xiàn)等。

創(chuàng)新性實驗突出了學生的主體作用，給予學生一個獨立思維和自由發(fā)揮能力的空間。學生只要獨立完成了實驗并且實驗結(jié)果滿足題目要求，指導教師可以認定實驗通過并給予相應(yīng)的創(chuàng)新學分。

2.4 綜合性實驗設(shè)計

綜合性實驗是以實物對象為被控對象，在綜合運用自動控制原理課程知識和與本課程相關(guān)課程知識基礎(chǔ)上，完成自動控制系統(tǒng)分析和設(shè)計[7]。驗證性實驗、設(shè)計性實驗和創(chuàng)新性實驗中，被控對象是用模擬電路或仿真軟件實現(xiàn)的，而綜合性實驗中被控對象是實物對象。綜合性實驗是我院自動化專業(yè)必修實驗，根據(jù)實驗室現(xiàn)有的設(shè)備，開設(shè)的綜合性實驗項目有：單容、雙容水箱液位控制系統(tǒng)實驗；鍋爐溫度控制系統(tǒng)實驗；直流電機速度控制系統(tǒng)實驗；倒立擺控制系統(tǒng)實驗。綜合性實驗要求學生自行選擇題目，并通過查閱自動控制原理、自動檢測技術(shù)、過程控制系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)等書籍資料獨立完成實驗，這樣可以充分發(fā)揮學生主觀能動性，培養(yǎng)學生綜合運用所學知識解決實際控制工程問題的能力。

學生通過實物對象完成綜合性實驗，可以掌握控制系統(tǒng)分析、設(shè)計和調(diào)試的一般方法，加深對自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、準確性和抗干擾能力等問題的理解，有助于學生的工程應(yīng)用意識和開拓創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3 結(jié)束語

21世紀，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高級工程技術(shù)人才是高等院校人才培養(yǎng)的重要任務(wù)。實驗教學不僅是對理論知識的驗證，更重要的是培養(yǎng)學生動手實踐能力和創(chuàng)新能力。從培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和工程實踐能力出發(fā)，對自動控制原理模塊化實驗教學模式進行了探討。在驗證性實驗基礎(chǔ)上，增設(shè)了設(shè)計性、創(chuàng)新性、綜合性實驗模塊，形式多樣的實驗模塊調(diào)動學生主動思考、樂于探索的積極性，提高學生分析和設(shè)計實際控制系統(tǒng)的能力，達到培養(yǎng)學生發(fā)散思維的目的。

[1] 丁勇, 王從慶.《自動控制原理》課程的教學改革與實踐[J]. 南京航空航天大學學報：社會科學版, 2005, 7(1): 84-86.

[2] 王永川, 李小民, 江濤. 自動控制原理設(shè)計性實驗教學探討[J]. 電氣電子教學學報, 2009, 31(1): 10-12.

[3] 鄢圣茂, 宋立忠.“自動控制原理”實驗教學研究與實踐[J]. 中國電力教育, 2011(27): 137-139.

[4] 楊寧飛, 邵曉蓉. 工科驗證性實驗教學方法的探討—以土木工程材料實驗為例[J]. 高教論壇, 2011(2): 72-74.

[5] 孫潔.“自動控制原理”實驗教學改革的實踐[J]. 電氣電子教學學報, 2009, 31(6): 69-70.

[6] 張棟. 自動控制原理實驗教學改革探索與實踐[J]. 實驗室科學, 2011, 14(5): 37-40.

[7] 王彤.淺議基礎(chǔ)課教學實驗室的管理工作[J].遼寧工學院學報：社會科學版, 2004, 6(6): 93-94.

Study on Modular Experiment Teaching of Automatic Control Principle

GAO Hongyan, ZHANG Kairu

(College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

The experimental teaching of automatic control principle is studied in this paper. According to the needs of different majors and different levels of students, the experiment teaching is divided into four modules: verification experiments, design experiments, innovative experiments and comprehensive experiments. The experiment content design and implementation measures for four modules are presented. The teaching practices show that the various forms of experiment teaching design are helpful to cultivate students’ innovative ability and engineering consciousness. Furthermore, they deepen the students’ understanding of basic knowledge ofautomaticcontrolprinciple, and improve the students’ ability to analyze and design control system.

automatic control principle; experimental teaching; modular experiment;study

2014-05-27

山東省高等學校青年骨干教師國內(nèi)訪問學者項目經(jīng)費資助(0110006)；山東省高等學校自動控制原理精品課程(2011BK025)；山東科技大學教育教學研究“群星計劃”項目(qx2013239)；山東科技大學自動化學院名校工程建設(shè)項目(MX-KCJS-3)。

高宏巖(1971-)，女，博士，副教授，研究方向：控制理論及其應(yīng)用。

G

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.022