自動控制原理卓越課程的實驗教學(xué)探究

管萍 劉小河 劉麗華 李明大

摘要：自動控制原理是自動化專業(yè)的主干基礎(chǔ)課程，針對該課程的特點(diǎn)，分析了傳統(tǒng)自動控制原理實驗教學(xué)的不足。圍繞“卓越計劃”對培養(yǎng)創(chuàng)新人才的需求，探討了卓越課程自動控制原理實驗的改進(jìn)措施，從改進(jìn)實驗內(nèi)容、實驗手段和完善考核方法等幾方面進(jìn)行了探索研究。這些改革措施有助于加深學(xué)生理解自動控制概念和控制系統(tǒng)的分析設(shè)計方法，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，增強(qiáng)分析解決實踐問題的能力。

關(guān)鍵詞：自動控制實驗；教學(xué)探究；工程實踐；創(chuàng)新能力

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）38-0258-02

一、引言

為貫徹落實加快發(fā)展具有中國特色的工業(yè)及培養(yǎng)創(chuàng)新型人才等戰(zhàn)略，2010年6月，教育部制定執(zhí)行培養(yǎng)卓越工程師計劃。我校自動化專業(yè)2011年獲批進(jìn)入全國第二批“卓越工程師”計劃。面對新的教學(xué)目標(biāo)，必須改進(jìn)原有的教學(xué)模式，為滿足社會新的需求，應(yīng)增強(qiáng)學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。相比與課堂教學(xué)，實驗教學(xué)更有利于學(xué)生創(chuàng)新意識和能力的培養(yǎng)[1-3]。

我校自動化專業(yè)的“卓越工程師”培養(yǎng)計劃的核心課程是自動控制原理，它是學(xué)生后期學(xué)習(xí)專業(yè)課程的基礎(chǔ)。該課程要求學(xué)生能夠結(jié)合工程實踐，掌握分析設(shè)計控制系統(tǒng)的方法，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。故該課程工程實踐性較強(qiáng)，課程實驗教學(xué)顯得十分重要。改進(jìn)實驗教學(xué)各環(huán)節(jié)，有助于增強(qiáng)學(xué)生的動手和思考能力，對卓越班（執(zhí)行“卓越工程師”培養(yǎng)計劃的本科班級）學(xué)生的專業(yè)知識與創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)具有舉足輕重的作用。

二、自動控制實驗現(xiàn)狀

目前自控實驗課程大都是學(xué)生在實驗箱和示波器等實驗器材上依照講義上的實驗步驟完成實驗，這樣的實驗很難滿足卓越教學(xué)計劃的要求。例如學(xué)生做控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型實驗，學(xué)生用運(yùn)算放大器等元器件建立數(shù)學(xué)模型，實驗在模擬機(jī)上顯示結(jié)果，學(xué)生做完實驗后，依舊對控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的概念理解不深，更難以將此聯(lián)系上實踐工程中被控對象的數(shù)學(xué)模型。另外，目前理論驗證是自控實驗的主要內(nèi)容，對于實驗結(jié)果學(xué)生預(yù)先知道，只要依照實驗指導(dǎo)書上的步驟就可完成實驗，這樣自控內(nèi)容的實驗簡單，形式單一，抑制了學(xué)生的主觀能動性和實驗積極性，更難以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[4]。故應(yīng)從自控的實驗內(nèi)容、實驗教學(xué)手段和實驗考核方法等幾方面進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建以提高工程能力和實踐創(chuàng)新能力為目標(biāo)的實驗課程模式。

三、改進(jìn)自控實驗內(nèi)容

自動控制原理的主要內(nèi)容是從建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型開始，然后分別從時域、根軌跡和頻域三方面來分析控制系統(tǒng)的性能，最后設(shè)計校正控制系統(tǒng)。為此實驗內(nèi)容應(yīng)由淺入深、循序漸進(jìn)，分成驗證性實驗、設(shè)計性實驗和綜合性實驗。首先借助實驗箱和計算機(jī)里的Matlab軟件做一些驗證控制系統(tǒng)性能的實驗，然后結(jié)合工程實踐背景，給出實驗要求、條件和目標(biāo)，由學(xué)生自己確定實驗方案，制定實驗步驟，完成控制系統(tǒng)設(shè)計實驗。最后在具有工程背景的典型實驗裝置上完成分析控制系統(tǒng)、設(shè)計工程系統(tǒng)的綜合性實驗。學(xué)生通過完成這些實驗，以提高自己的綜合思維和自主創(chuàng)新的能力。

驗證性實驗內(nèi)容包括典型環(huán)節(jié)的模擬、動態(tài)性能、穩(wěn)定性以及穩(wěn)態(tài)誤差等自動控制原理的核心知識點(diǎn)[5]。實驗既可以在由運(yùn)算放大器等元器件組成的實驗箱上進(jìn)行驗證，也可以在裝有MATLAB軟件的計算機(jī)上進(jìn)行仿真驗證。這樣使學(xué)生不僅可以熟悉自控實驗里的常規(guī)實驗設(shè)備的性能，還可以在計算機(jī)上對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。以二階系統(tǒng)為例，學(xué)生可用MATLAB軟件對二階系統(tǒng)在無阻尼、欠阻尼和過阻尼三種條件下編寫仿真程序，進(jìn)行仿真分析，學(xué)生能快速地觀察到二階系統(tǒng)的輸出響應(yīng)結(jié)果，從而加深了學(xué)生對課堂上講授的理論知識的理解。這種通過實驗和仿真分析可以給學(xué)生留下很深刻的印象，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實踐創(chuàng)新能力。

系統(tǒng)設(shè)計性實驗可以由教師給出題目和實驗需要達(dá)到的目的和要求，而實驗步驟和方法由學(xué)生自主設(shè)計，期間可以和教師討論實驗結(jié)果以及有疑惑的地方[5]?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計性實驗主要是在學(xué)生學(xué)習(xí)了基本控制原理后，能夠在分析控制系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，設(shè)計簡單的控制器，學(xué)會處理具有工程背景的簡單的控制系統(tǒng)問題?？勺寣W(xué)生借助MATLAB軟件設(shè)計比例微分控制的二階系統(tǒng)、微分反饋的二階控制系統(tǒng)及含有超前滯后的校正控制系統(tǒng)等。在這類設(shè)計性實驗中，學(xué)生自己分析、設(shè)計控制系統(tǒng)，最后比較分析各種控制系統(tǒng)的性能，獲得正確的結(jié)論。學(xué)生不僅很快熟悉自動控制基本理論，還提高了自己分析解決一些簡單的工程實際問題的能力

綜合性實驗是指實驗內(nèi)容涉及本課程的綜合知識或與本課程相關(guān)課程知識的實驗，是在學(xué)生了解和掌握本課程驗證性實驗和設(shè)計性實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行的[6]。對卓越工程師的培養(yǎng)更應(yīng)注重理論和工程實踐相結(jié)合，故為培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，卓越班的綜合性實驗課程應(yīng)引入工程實例。在數(shù)字仿真實驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)行工程實踐訓(xùn)練。水箱液位控制系統(tǒng)、電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和倒立擺系統(tǒng)等都是自動控制系統(tǒng)中具有代表性的工程控制實例。如在控制系統(tǒng)綜合實驗中，可給定學(xué)生上述某一實際控制系統(tǒng)，要求學(xué)生首先建立被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，畫出控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，運(yùn)用課堂上所學(xué)的理論知識分析控制系統(tǒng)的性能，設(shè)計滿足要求的控制器，然后在計算機(jī)上進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真，設(shè)計控制器參數(shù)，仿真結(jié)果達(dá)到期望要求后，最后在實際系統(tǒng)上做實驗，能夠正確分析實驗結(jié)果。這種控制系統(tǒng)綜合性實驗?zāi)軌蛘{(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)自控原理的主動性，并能全面培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐創(chuàng)新能力。

四、實驗教學(xué)方法的改進(jìn)

為培養(yǎng)卓越班學(xué)生的工程實踐能力，必須注重實驗預(yù)習(xí)及加強(qiáng)評價實驗全過程。將預(yù)習(xí)任務(wù)具體化，增強(qiáng)學(xué)生預(yù)習(xí)的主觀能動性。在學(xué)生進(jìn)入實驗室前，教師應(yīng)檢查學(xué)生對實驗預(yù)習(xí)的情況，教師驗收合格后方可進(jìn)入實驗室。這樣加強(qiáng)預(yù)習(xí)監(jiān)管，嚴(yán)格要求，提高實驗效果。在實驗全過程中，實驗老師要引導(dǎo)學(xué)生自己分析實驗中出現(xiàn)的問題，自己找到出現(xiàn)這個問題的根本原因，最后找到解決問題的方法。以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析并解決工程實際問題的能力。這些對于卓越工程師日后的控制系統(tǒng)的工程實踐都是受益匪淺的。

五、重視創(chuàng)新能力，改革實驗考核機(jī)制

為培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的卓越工程師，實驗成績的評定應(yīng)以學(xué)生能獨(dú)立分析問題和解決問題為準(zhǔn)則。對于在實驗中能獨(dú)立分析設(shè)計控制系統(tǒng)的學(xué)生應(yīng)給予較高的實驗成績。實驗預(yù)習(xí)成績、操作成績和實驗報告成績構(gòu)成完整的實驗總成績。實驗預(yù)習(xí)成績應(yīng)逐個檢查學(xué)生預(yù)習(xí)情況后給出評定，它可占實驗總成績的25%。實驗操作成績要重點(diǎn)考查學(xué)生的獨(dú)立分析解決控制系統(tǒng)問題的能力，有創(chuàng)新表現(xiàn)的學(xué)生應(yīng)給高分，這部分成績可占實驗總成績的40%。實驗報告成績要重點(diǎn)考查學(xué)生正確分析處理實驗結(jié)果的能力，這部分成績可占實驗總成績的35%。這樣評定實驗成績以能盡快提高學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力以及工程實踐能力。

六、結(jié)束語

本文分析了我校自動控制實驗的現(xiàn)狀，針對我校目前自動控制實驗的不足，探討了卓越課程自動控制原理實驗的改進(jìn)措施，從改進(jìn)實驗內(nèi)容、實驗手段和完善考核方法等幾方面進(jìn)行了探索研究。這些改革措施有助于加深學(xué)生理解自動控制概念和控制系統(tǒng)的分析設(shè)計方法，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，增強(qiáng)分析解決實踐問題的能力，為學(xué)生走上工作崗位成為卓越工程師打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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