《自動(dòng)控制系統(tǒng)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的研究與實(shí)踐

徐益民+祁紅巖+梁燕華+姜艷秋

摘 要：自動(dòng)控制系統(tǒng)作為自動(dòng)化專業(yè)一門實(shí)用性、工程性和綜合性較強(qiáng)的專業(yè)主干課程，其特點(diǎn)是理論與實(shí)踐并重，實(shí)驗(yàn)課成為了該課程教學(xué)的重要組成環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，根據(jù)課程的發(fā)展需要和實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，不斷完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，豐富實(shí)驗(yàn)方法和手段、引入計(jì)算機(jī)軟件仿真實(shí)驗(yàn)，改善實(shí)驗(yàn)環(huán)境，嚴(yán)格考核過(guò)程，使學(xué)生更好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和綜合應(yīng)用能力，并為分析、解決工程實(shí)際問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)教學(xué) matlab/simulink軟件仿真

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）10（b）-0224-02

自動(dòng)控制系統(tǒng)是自動(dòng)化專業(yè)的主要專業(yè)課之一，具有較強(qiáng)的實(shí)用性、工程性和綜合性，旨在使學(xué)生掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的方法以及培養(yǎng)學(xué)生解決大型控制系統(tǒng)技術(shù)問(wèn)題的綜合能力。為配合《自動(dòng)控制系統(tǒng)》課程的教學(xué)，使學(xué)生能更深刻地領(lǐng)會(huì)所學(xué)內(nèi)容，開設(shè)了自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)是《自動(dòng)控制系統(tǒng)》課程教學(xué)的重要組成部分。

自動(dòng)控制系統(tǒng)課程不但綜合了電路電子、電機(jī)拖動(dòng)、自動(dòng)控制原理、電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)[1]等先修課程的相關(guān)知識(shí)；而且該課程的內(nèi)容更新速度快，需要掌握的內(nèi)容增加而課程總學(xué)時(shí)已減少，并且實(shí)驗(yàn)課時(shí)更加有限，這都要求我們?cè)趯?shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中必須不斷地對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精心選擇，充分利用實(shí)驗(yàn)條件，改變實(shí)驗(yàn)手段和考核方法，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中更好地掌握相關(guān)理論知識(shí)，做到理論和實(shí)踐相結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐綜合能力。

1 不斷完善實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，豐富實(shí)驗(yàn)手段

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分層次，開設(shè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)

提高學(xué)生的實(shí)踐能力是本科教育的重要環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)課起到了將所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合的作用。為了在有限的實(shí)驗(yàn)課上使訓(xùn)練效果得到最好的體現(xiàn)，并配合不斷更新的實(shí)驗(yàn)裝置，及時(shí)地對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了調(diào)整，逐步取消內(nèi)容單一的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，做到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分層次，重視學(xué)生的個(gè)性發(fā)展。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)驗(yàn)與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，并加大綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的力度；每次實(shí)驗(yàn)課前，安排學(xué)生一定的預(yù)習(xí)和思考內(nèi)容，特別針對(duì)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室前，要求學(xué)生針對(duì)相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行局部環(huán)節(jié)及系統(tǒng)的仿真，再和實(shí)驗(yàn)室調(diào)試的結(jié)果進(jìn)行比較分析，做到理論分析與實(shí)驗(yàn)的有機(jī)結(jié)合，鞏固和加深學(xué)生對(duì)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握。

由于學(xué)生的能力和興趣不同，為了充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性拓展了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，開設(shè)新實(shí)驗(yàn)，多設(shè)置選做性實(shí)驗(yàn)，這類實(shí)驗(yàn)在完成必做實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，可以利用實(shí)驗(yàn)課時(shí)間完成，也可以和老師預(yù)約利用業(yè)余時(shí)間完成，或在實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間完成；對(duì)于能力強(qiáng)的學(xué)生鼓勵(lì)其針對(duì)所學(xué)的理論知識(shí)結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)條件或根據(jù)個(gè)人條件創(chuàng)新新的實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)成績(jī)上有所體現(xiàn)，如果創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)有價(jià)值可以在今后的教學(xué)過(guò)程中作為選作性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行推廣或做為教學(xué)實(shí)例為學(xué)生講解。

1.2 利用計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)時(shí)間的不足

考慮到實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，硬件條件有限，需要學(xué)生掌握的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較多，隨著教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的調(diào)整，不斷地完善實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)手段，實(shí)驗(yàn)的開設(shè)除了在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，還利用matlab/simulink軟件進(jìn)行仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]。逐步取消的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，大多可以在教學(xué)過(guò)程中作為實(shí)例以仿真的形式為學(xué)生講解，或者通過(guò)作業(yè)的形式，讓學(xué)生通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真來(lái)加以驗(yàn)證，形成了理論教學(xué)、課外作業(yè)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)體系[3]。

控制系統(tǒng)工程實(shí)踐，先于自動(dòng)控制系統(tǒng)課程的開設(shè)。在工程實(shí)踐環(huán)節(jié)中，時(shí)間較充裕，先安排一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，幫助學(xué)生復(fù)習(xí)和鞏固進(jìn)行系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)用到的相關(guān)知識(shí)，隨之引入一些簡(jiǎn)單閉環(huán)系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，增加了學(xué)生先期對(duì)課程的感性認(rèn)識(shí)。在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上的仿真實(shí)驗(yàn)，不但使抽象的理論知識(shí)具體化，還補(bǔ)充了實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器的不足。

2 充分利用實(shí)踐資源，改善實(shí)驗(yàn)條件

2.1 注重先期準(zhǔn)備工作，合理利用實(shí)踐資源

為了培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，提高動(dòng)手及創(chuàng)新能力，本院的工程實(shí)踐基地已經(jīng)形成了一定的規(guī)模，其中“控制系統(tǒng)”和“電力電子與電氣傳動(dòng)”工程實(shí)踐基地與自動(dòng)控制系統(tǒng)課程聯(lián)系很大，并先于該課程開設(shè)，為了有效地利用其實(shí)踐資源，這兩個(gè)實(shí)踐基地的指導(dǎo)教師都由教研室安排本專業(yè)的教師參與指導(dǎo)任務(wù)。任課教師積極配合學(xué)院做好設(shè)備的維護(hù)和更新工作，在實(shí)踐過(guò)程中，針對(duì)后期的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，設(shè)置相應(yīng)的實(shí)踐內(nèi)容，及時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行開放，隨時(shí)為學(xué)生輔導(dǎo)答疑。還設(shè)置了多個(gè)被控對(duì)象，如電機(jī)、溫度、液位及機(jī)組等讓學(xué)生根據(jù)提出的指標(biāo)自主進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試，提高學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，并為后期學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)提供了目標(biāo)和思路。

2.2 改善實(shí)驗(yàn)條件，引入虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)

為了給學(xué)生提供好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，教研室安排專任負(fù)責(zé)人對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行管理，負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的開放、及時(shí)地維護(hù)和維修實(shí)驗(yàn)設(shè)備，并且根據(jù)需要更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備。在新更換的設(shè)備上，增設(shè)了以DSP2812為核心的進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)用的硬件平臺(tái)，主要完成理論性較強(qiáng)，系統(tǒng)分析較復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)研究。例如，采用SVPWM的開環(huán)VVVF調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究和采用磁場(chǎng)定向控制（FOC）的感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究以及感應(yīng)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)等。這部分內(nèi)容可以提供給教師上課時(shí)作為實(shí)例進(jìn)行演示教學(xué)，把抽象問(wèn)題具體化；更多的是為感興趣有能力的學(xué)生提高新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

3 加強(qiáng)過(guò)程管理，改革考核方式

為了使學(xué)生更好地掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，充分利用實(shí)驗(yàn)課時(shí)間，加大了平時(shí)管理和考核力度。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生必須做好準(zhǔn)備工作，進(jìn)行充分的預(yù)習(xí)，不但要掌握實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)于綜合性實(shí)驗(yàn)，還要對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行分析，并對(duì)可能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。任課教師充分利用課內(nèi)、課外時(shí)間為學(xué)生答疑。在答疑過(guò)程中，不但幫助學(xué)生解決設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案中遇到的問(wèn)題，分析仿真結(jié)果的正確性；也解決一些學(xué)生感興趣的問(wèn)題，幫助學(xué)生選作實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供思路。除了固定地點(diǎn)答疑還開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)，使學(xué)生的問(wèn)題能及時(shí)解決。

考核方式是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要點(diǎn)之一，是體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)質(zhì)量的重要標(biāo)尺，并能提高學(xué)生的積極性和重視程度。在該課程實(shí)驗(yàn)的考核中，除了綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)以及實(shí)驗(yàn)操作成績(jī)外，還加入了預(yù)習(xí)成績(jī)，這部分成績(jī)由教師通過(guò)答辯和平時(shí)答疑時(shí)的表現(xiàn)加入到實(shí)驗(yàn)總成績(jī)中。對(duì)于學(xué)生所完成的仿真實(shí)驗(yàn)，在課程的平時(shí)成績(jī)里有所體現(xiàn)，學(xué)生自己根據(jù)所學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)裝置開發(fā)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，有一定效果，在實(shí)驗(yàn)成績(jī)上加分，這樣極大程度地調(diào)動(dòng)了學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合自動(dòng)化專業(yè)培養(yǎng)方案，對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方法和手段以及考核方式進(jìn)行了積極的探索和改進(jìn)，對(duì)于強(qiáng)化學(xué)生動(dòng)手能力、分析問(wèn)題能力和用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力等方面都取得了一定的效果，在隨后進(jìn)行的課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)中都有所體現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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