自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)的改革與實(shí)踐

孫建平 郭曼利

華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 河北保定 071003

自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)的改革與實(shí)踐

孫建平 郭曼利

華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 河北保定 071003

自動(dòng)控制原理是集理論性、實(shí)踐性和應(yīng)用性于一體的專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程設(shè)計(jì)以提高學(xué)生對(duì)專業(yè)的綜合認(rèn)知水平和強(qiáng)化自主學(xué)習(xí)能力為目的，是課程教學(xué)的重要組成部分。通過對(duì)課程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭约敖虒W(xué)體系等一系列改革與實(shí)踐，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、動(dòng)手實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力，取得了良好的教學(xué)效果。

自動(dòng)控制原理；課程設(shè)計(jì)；改革；實(shí)踐

自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空、航海、軍事及人們的日常生活等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，自動(dòng)控制原理課程是工業(yè)自動(dòng)化、測(cè)控等相關(guān)專業(yè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)課程，在專業(yè)課程體系中占有重要的地位。［1］該課程的概念比較抽象，理論性與專業(yè)性很強(qiáng)，要求學(xué)生具有較強(qiáng)的抽象思維能力，學(xué)習(xí)難度大，不易被理解和掌握，而課程設(shè)計(jì)是保證該課程教學(xué)效果的重要組成部分。課程設(shè)計(jì)不但有利于學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解和深化，而且能夠鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以講授教學(xué)方式為主，將書本上的定理和公式讓學(xué)生機(jī)械地記住，卻忽視對(duì)學(xué)生的創(chuàng)造才能和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。［2］因此，華北電力大學(xué)自動(dòng)化系自動(dòng)控制原理課程組在理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)中不斷探索創(chuàng)新，從課程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、內(nèi)容、模式及教學(xué)體系等多方面進(jìn)行了深入的調(diào)研分析，提出本課程設(shè)計(jì)相應(yīng)的改革措施和方法，并將之用于教學(xué)實(shí)踐，在教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)方面取得了顯著的效果。

1 創(chuàng)新課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

為了滿足學(xué)科素質(zhì)教育的基本要求，以提高學(xué)生對(duì)專業(yè)的綜合認(rèn)知水平為教學(xué)目的，我校構(gòu)建了具有實(shí)用性和開發(fā)性的課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，歸納起來主要有以下3種模式。

（1）基于Matlab的計(jì)算機(jī)控制仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。Matlab軟件具有強(qiáng)大的繪圖和運(yùn)算功能，是控制系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析的一個(gè)卓越平臺(tái)。將Matlab與自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式的創(chuàng)新。作為自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，很有必要學(xué)會(huì)應(yīng)用這一強(qiáng)大的工具，并掌握利用Matlab對(duì)控制理論內(nèi)容進(jìn)行分析和研究的技能，以達(dá)到加深對(duì)課堂上所講內(nèi)容理解的目的。另外我們希望通過使用這一軟件工具把學(xué)生從煩瑣枯燥的計(jì)算負(fù)擔(dān)中解脫出來，而把更多的精力用到思考本質(zhì)問題和研究解決實(shí)際生產(chǎn)問題上去。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了以下基于Matlab的實(shí)驗(yàn)：控制系統(tǒng)的時(shí)域分析，頻域分析，根軌跡分析，超前、滯后校正等設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生掌握基于Matlab/SIMULINK的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析的基本方法，編寫M程序或畫SIMULINK仿真圖。如實(shí)驗(yàn)中在討論基于根軌跡的校正方法時(shí)，為了使學(xué)生能夠觀察到添加開環(huán)零、極點(diǎn)對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的影響以及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)發(fā)生變化的情況，在Matlab中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠更容易加深對(duì)根軌跡校正方法機(jī)理的理解。此實(shí)驗(yàn)方式方便靈活、教學(xué)成本低，拓展了學(xué)生的思維，有利于訓(xùn)練學(xué)生對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的能力，同時(shí)還激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（2）基于實(shí)物物理對(duì)象系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。很多學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中都會(huì)有這樣一個(gè)很困擾的問題：通過本課程的學(xué)習(xí)可以做什么？針對(duì)這樣的問題，同時(shí)為提高學(xué)生對(duì)專業(yè)的整體認(rèn)知水平，設(shè)計(jì)采用實(shí)際物理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)三——“隨動(dòng)控制系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)及系統(tǒng)校正”中，設(shè)計(jì)了一個(gè)小功率的直流發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)組成的控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備有：XSJ-3（或XSJ-2）型小功率直流隨動(dòng)系統(tǒng)學(xué)習(xí)機(jī)；直流穩(wěn)壓電源（用于XSJ-3型）；超低頻長(zhǎng)余輝示波器；數(shù)字萬用表；超前網(wǎng)絡(luò)板（用于XSJ-3型）。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如下圖1所示。

圖1 小功率隨動(dòng)系統(tǒng)接線原理圖

此實(shí)驗(yàn)與實(shí)際系統(tǒng)相當(dāng)接近，雖然該課程設(shè)計(jì)的被控對(duì)象只是一個(gè)小型的控制系統(tǒng)，但是此控制系統(tǒng)具體、形象、直觀且具有針對(duì)性及實(shí)用性。通過這樣一個(gè)完整的課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生會(huì)對(duì)本專業(yè)具體的工作流程和研究方向有明確的認(rèn)識(shí)，對(duì)自己所學(xué)專業(yè)知識(shí)的掌握程度有清晰的了解，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)自己實(shí)際專業(yè)能力的信心。

（3）計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在數(shù)字仿真環(huán)境中增加實(shí)物環(huán)節(jié)，針對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真系統(tǒng)及實(shí)物系統(tǒng)的特點(diǎn)，實(shí)物部分采用模擬實(shí)驗(yàn)箱，通過運(yùn)算放大器、電容、電感、電阻等模擬元件搭建電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。仿真部分采用CAE2000軟件搭建系統(tǒng)控制框圖，如串聯(lián)校正、狀態(tài)反饋等復(fù)雜系統(tǒng)，既能夠充分利用CAE2000中良好的圖形界面接口，又能快速有效地搭建實(shí)際控制系統(tǒng)模型，還可以設(shè)計(jì)和修改控制率及控制參數(shù)來完成實(shí)驗(yàn)。本課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)五——“頻率特性測(cè)試”中體現(xiàn)這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。一階慣性環(huán)節(jié)由模擬機(jī)實(shí)現(xiàn)，正弦信號(hào)源由D/A接口輸入到模擬機(jī)，模擬機(jī)輸出信號(hào)由A/D端口輸入到計(jì)算機(jī)，通過CAE2000軟件顯示并打印曲線，實(shí)驗(yàn)五CAE2000組態(tài)圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)五CAE2000組態(tài)圖

這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ骄C合了數(shù)字仿真與實(shí)物對(duì)象的特點(diǎn)，不僅鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，而且能將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)，還便于學(xué)生以各自認(rèn)知能力探索新領(lǐng)域和構(gòu)建新知識(shí)。

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的組成

我校自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容主要分為兩大類：基于Matlab的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?；贛atlab的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)由7個(gè)實(shí)驗(yàn)組成：控制系統(tǒng)數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)，控制系統(tǒng)的時(shí)域分析、控制系統(tǒng)的頻域分析、控制系統(tǒng)的根軌跡分析、控制系統(tǒng)的校正、離散控制系統(tǒng)分析、非線性系統(tǒng)分析。綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)包括5個(gè)實(shí)驗(yàn)分別為：典型環(huán)節(jié)的電模擬及其階躍響應(yīng)分析，隨動(dòng)系統(tǒng)的開環(huán)控制、閉環(huán)控制及穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，隨動(dòng)控制系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)及系統(tǒng)校正，控制系統(tǒng)頻率特性分析，頻率特性測(cè)試。在此基礎(chǔ)上，增加了先進(jìn)控制理論設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。由于我校以電力行業(yè)為背景，結(jié)合專業(yè)特色，突出工程背景，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行先進(jìn)控制理論實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以電力系統(tǒng)實(shí)際模型為例，進(jìn)行同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)與分析，采用先進(jìn)控制理論中的新方法進(jìn)行優(yōu)化控制，如模糊PID。目的在于培養(yǎng)學(xué)生綜合考慮問題、分析問題及解決問題的思維方式，全面鍛煉學(xué)生的實(shí)踐與創(chuàng)新能力，提高學(xué)生將控制理論知識(shí)應(yīng)用于解決實(shí)際問題的能力，為今后進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)的自動(dòng)控制打下了良好的基礎(chǔ)。

1.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的創(chuàng)新

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式是主講教師首先通過對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本原理、實(shí)驗(yàn)過程步驟、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的使用方法等內(nèi)容詳細(xì)的講解，然后學(xué)生按照教師講解的內(nèi)容按部就班地進(jìn)行操作并完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生雖然能夠快速完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，但這種傳統(tǒng)“填鴨式”和“灌輸式”的教學(xué)實(shí)踐會(huì)導(dǎo)致學(xué)生的惰性學(xué)習(xí)，缺乏主動(dòng)思考，實(shí)驗(yàn)效果大打折扣。我們采用“啟發(fā)式”和“引導(dǎo)式”的互動(dòng)教學(xué)模式。在做實(shí)驗(yàn)前，讓學(xué)生自己提前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，查找資料，自己動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，教師只起引導(dǎo)的作用，分析總結(jié)，適時(shí)調(diào)控引導(dǎo)學(xué)生思考，學(xué)生便成為整個(gè)實(shí)驗(yàn)的主體，自由討論問題。如果沒有達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，學(xué)生需要對(duì)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)過程進(jìn)行詳細(xì)的分析直到查找出原因，并能從失敗中總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)。鼓勵(lì)學(xué)生與教師之間、學(xué)生與學(xué)生之間的相互交流與討論，在討論中能夠深化自己的知識(shí)，對(duì)理論和實(shí)際問題能有更清晰的認(rèn)識(shí)，達(dá)到知識(shí)之間的相互轉(zhuǎn)化、學(xué)以致用的目的。學(xué)生在一定程度上由惰性學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極創(chuàng)新性學(xué)習(xí)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了學(xué)習(xí)效率。

2 創(chuàng)新課程設(shè)計(jì)的教學(xué)體系

在實(shí)踐過程中，采用多層次培養(yǎng)、開放式指導(dǎo)、多元化考核體系的創(chuàng)新實(shí)踐模式。

2.1 多層次培養(yǎng)

考慮到學(xué)生自身的基礎(chǔ)以及能力的差異，把課程設(shè)計(jì)題目的難度分為“難、中、易”三個(gè)層次，對(duì)不同層次學(xué)生的具體要求標(biāo)準(zhǔn)不同。如基于仿真和實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)定為難度系數(shù)較大的課程設(shè)計(jì)，基于復(fù)雜實(shí)物系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)定為中等難度，僅利用Matlab軟件進(jìn)行仿真的實(shí)驗(yàn)定為較為簡(jiǎn)單的課程設(shè)計(jì)。這種培養(yǎng)模式既能為稍差的學(xué)生提供鍛煉的機(jī)會(huì)，又能為好的學(xué)生提供發(fā)揮潛能的平臺(tái)。

2.2 開放式指導(dǎo)

開放式指導(dǎo)模式是指導(dǎo)教師給出課程設(shè)計(jì)題目之后，學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)際情況，自由組隊(duì)，自主選擇題目。在布置課程設(shè)計(jì)的任務(wù)時(shí)，教師只簡(jiǎn)單介紹題目設(shè)計(jì)的要求、要達(dá)到目的，具體實(shí)施的方案由學(xué)生自己選擇確定。鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立查閱資料，分析解決問題，最終完成課程設(shè)計(jì)的任務(wù)。這種指導(dǎo)模式有利用達(dá)到課程設(shè)計(jì)的目的。

2.3 多元化考核體系

考核雖然不是學(xué)習(xí)的最終目的，但是合理的課程考核體系是提高教學(xué)水平、調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的考核體系指學(xué)生的成績(jī)主要依賴于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容的完成程度及書寫的整潔性來決定，該成績(jī)?cè)u(píng)定方式存在一定的片面性，不利于對(duì)學(xué)生的綜合評(píng)價(jià)，達(dá)不到良好的測(cè)評(píng)效果。結(jié)合多層次培養(yǎng)模式，將成績(jī)的評(píng)定與課程設(shè)計(jì)題目的難易程度相聯(lián)系，不同難度的題目設(shè)置了不同的成績(jī)上限，最終的成績(jī)采用分級(jí)評(píng)分，如優(yōu)秀、良好、及格和不及格。實(shí)施多元化的考核方式，教師根據(jù)學(xué)生平時(shí)表現(xiàn)、完成課程設(shè)計(jì)的質(zhì)量、創(chuàng)新內(nèi)容及最終答辯結(jié)果做出綜合評(píng)價(jià)，給出最后的考核成績(jī)。通過這4個(gè)方面的綜合考核，教師可以比較準(zhǔn)確地掌握學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力、觀察分析能力和創(chuàng)新思維能力，從而對(duì)每一位學(xué)生給予綜合評(píng)定，這種考核方式在很大程度上激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

3 課程設(shè)計(jì)改革的成效

通過近幾年課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的改革和實(shí)踐，我校在教學(xué)建設(shè)及教學(xué)效果方面取得了顯著成績(jī)。一方面，自動(dòng)控制原理理論課程設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式及實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的不斷更新，自主開發(fā)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備“CAE2000控制系統(tǒng)輔助教學(xué)軟件”已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，此系統(tǒng)獲得河北省教學(xué)成果二等獎(jiǎng)，創(chuàng)建了省級(jí)精品課程，進(jìn)行了大量的教學(xué)建設(shè)和改革工作，獲得了豐碩的教學(xué)研究成果；另一方面，創(chuàng)新的教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生積極參加控制領(lǐng)域的科研課題研究，學(xué)習(xí)前沿知識(shí)，拓寬視野，不斷提高認(rèn)知水平及自主學(xué)習(xí)能力。改善的實(shí)踐教學(xué)模式，不僅提高了學(xué)生對(duì)實(shí)際系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、研發(fā)方面的工程實(shí)踐能力，而且培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，使華北電力大學(xué)自動(dòng)化及相關(guān)專業(yè)的學(xué)生獲得更扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，更寬的知識(shí)面，更強(qiáng)的實(shí)踐創(chuàng)新能力。學(xué)生積極參加全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、機(jī)器人競(jìng)賽、智能汽車競(jìng)賽等各種競(jìng)賽和科技活動(dòng)，并取得了優(yōu)秀成績(jī)。

4 結(jié)束語

通過對(duì)自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)的改革與實(shí)踐，構(gòu)建了具有先進(jìn)性、多功能性及實(shí)用性于一體的課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；基于創(chuàng)新教學(xué)理念，提出了多層次培養(yǎng)、開放式指導(dǎo)及多元化考核體系的創(chuàng)新課程設(shè)計(jì)的教學(xué)模式，使學(xué)生對(duì)該專業(yè)有明確的認(rèn)識(shí)，達(dá)到了學(xué)生對(duì)所學(xué)自動(dòng)控制課程知識(shí)的綜合實(shí)踐的目標(biāo)。通過長(zhǎng)期的實(shí)踐，學(xué)生主動(dòng)思考、主動(dòng)參與的積極性有了很大的提高，動(dòng)手實(shí)踐的能力得到鍛煉，取得了良好的教學(xué)效果。要全面提高教學(xué)效果、增強(qiáng)學(xué)生綜合能力還需要各方的不斷努力和探索。教師在教學(xué)中需要不斷的學(xué)習(xí)教育理論，積極探索教學(xué)方法，不斷提高自身素質(zhì)才能培養(yǎng)符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)及社會(huì)需求的優(yōu)秀人才。

［1］唐超穎，姜斌.“自動(dòng)控制原理”課程的探究性教學(xué)實(shí)踐［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008，29（6）：91-93.

［2］結(jié)碩，韓光勝.Matlab在自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29（2）：95-97.

［3］王柯，周延延，吳曉燕.“自動(dòng)控制原理”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索［J］.中國(guó)電力教育（上），2013（34）：140，149.

［4］于希寧，孫建平.自動(dòng)控制原理［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008.

Reform and Practice of Curriculum Design of Automatic Control Theory

Sun Jianping， Guo Manli
North China Electric Power University， Baoding， 071003， China

Automatic Control Theory is a professional basic course which is a set of theory， practice and application. The course design is an important part of the course teaching， whose purpose is to improve professional comprehensive cognitive level and enhance the learning ability.With the reform and practice of the experimental platform， experiments， experimental models and teaching system， it can improve the self-learning ability， practical ability and innovation ability of students， and has achieved good teaching results.

automatic control theory； curriculum design； reform； practice

2015-04-13

孫建平，博士，教授。通訊作者：郭曼利，在讀碩士研究生。

華北電力大學(xué)教育改革立項(xiàng)項(xiàng)目。