自動控制原理實(shí)驗教學(xué)改革研究與探索

袁艷

摘 ?要 自動拉制原理是自動化專業(yè)的重要主干課程，實(shí)驗教學(xué)是提高理論基礎(chǔ)知識教學(xué)效率、增強(qiáng)學(xué)生對控制系統(tǒng)深入認(rèn)識的重要手段。針對原有實(shí)驗課程體系中存在的內(nèi)容少、形式單一的問題，從實(shí)驗內(nèi)容、實(shí)驗?zāi)Ｊ?、?shí)驗考核方式等方面進(jìn)行改革，對實(shí)驗教學(xué)體系進(jìn)行充實(shí)和更新，可以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計、創(chuàng)新和獨(dú)立解決工程問題的能力，同時為相關(guān)課程設(shè)計及后續(xù)課程學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 自動控制原理;實(shí)驗教學(xué)體系;虛擬實(shí)驗系統(tǒng);MATLAB

中圖分類號：G642.423 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）14-0111-03

Abstract Automatic Control Principle is an important main course of?automation major. Experimental teaching is an important means to?improve the teaching effect of theoretical knowledge and enhance students deep understanding of control system. Aiming at the pro-blems of lack of contents and single form existing in the original experimental curriculum system， the reform is carried out from the aspects of experimental content， experimental mode， experimental examination method， etc.， so as to enrich and update the experimen-tal teaching system. It can cultivate students ability to design， inno-vate and solve engineering problems independently. At the same time， it will lay a solid foundation for relevant curriculum design， follow-up courses and graduation design.

Key words automation control principle; experimental teaching sys-tem; virtual experiment system; MATLAB

1 前言

自動控制原理是自動化專業(yè)核心的基礎(chǔ)理論課程，理論性較強(qiáng)，也具有很強(qiáng)的工程實(shí)際應(yīng)用背景，其特點(diǎn)是概念抽象、數(shù)學(xué)知識含量大、計算繁雜，難教也難學(xué)?，F(xiàn)有的自動控制原理實(shí)驗教學(xué)為八學(xué)時MATLAB仿真驗證型實(shí)驗，實(shí)驗內(nèi)容簡單、形式單一，學(xué)生只需要按部就班機(jī)械操作即可完成實(shí)驗，雖然可以幫助學(xué)生加深對理論基礎(chǔ)知識的理解，但不能起到培養(yǎng)學(xué)生主動探索與綜合實(shí)踐應(yīng)用能力的作用。

增強(qiáng)實(shí)驗教學(xué)效果，在實(shí)驗環(huán)節(jié)充分調(diào)動學(xué)生的主動性，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗熱情，使學(xué)生能夠牢固掌握自動控制原理的基本理論，同時具有設(shè)計、開發(fā)和綜合自動控制系統(tǒng)的實(shí)踐創(chuàng)新能力，是自動控制原理課程綜合創(chuàng)新實(shí)驗教學(xué)的改革方向和目標(biāo)[1-2]。本文在總結(jié)實(shí)驗教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合MATLAB在控制領(lǐng)域的強(qiáng)大功能，通過對自動控制原理課程實(shí)驗教學(xué)體系的改革、完善和更新，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可充分利用實(shí)驗教學(xué)環(huán)節(jié)的優(yōu)勢，盡力將“難學(xué)”變成“易學(xué)”，培養(yǎng)學(xué)生分析與設(shè)計實(shí)際自動控制系統(tǒng)的能力，對提高實(shí)驗及理論教學(xué)水平和質(zhì)量具有重要意義。

2 建設(shè)目標(biāo)及主要內(nèi)容

在多年實(shí)驗教學(xué)實(shí)踐基礎(chǔ)上，本文重新規(guī)劃與自動控制原理課程理論教學(xué)相配套的實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容，實(shí)驗學(xué)時調(diào)整為14學(xué)時，同時增加自動控制原理課程設(shè)計（一周），構(gòu)建由基礎(chǔ)驗證、綜合設(shè)計和創(chuàng)新型設(shè)計實(shí)驗組成的自動控制原理課程實(shí)驗教學(xué)體系，所有實(shí)驗內(nèi)容的選擇圍繞系統(tǒng)的構(gòu)建、性能分析、校正設(shè)計與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行。通過系統(tǒng)建模、時域/頻域/復(fù)域特性分析內(nèi)容的基礎(chǔ)驗證實(shí)驗，熟悉和掌握典型系統(tǒng)的性能計算與分析方法;通過系統(tǒng)校正、綜合設(shè)計實(shí)驗，掌握如何建立給定自動控制系統(tǒng)的模型、按照給定的校正方式設(shè)計校正裝置并對系統(tǒng)性能進(jìn)行校驗。同時，引入實(shí)際自動控制系統(tǒng)作為研究對象，通過創(chuàng)新型設(shè)計實(shí)驗完成對系統(tǒng)的建模、性能分析及控制校正方式選擇與設(shè)計實(shí)現(xiàn)，使學(xué)生對理論知識有更形象的理解，達(dá)到知識的融會應(yīng)用、激發(fā)創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的綜合設(shè)計、創(chuàng)新和獨(dú)立解決工程問題的能力。

自動控制原理實(shí)驗教學(xué)體系構(gòu)建的主要內(nèi)容包括[3-5]：開發(fā)自動控制原理虛擬實(shí)驗系統(tǒng);創(chuàng)建綜合設(shè)計與創(chuàng)新型實(shí)驗;改革實(shí)驗成績考核方式;整理編寫自動控制原理實(shí)驗教材。

虛擬實(shí)驗系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn) ?虛擬實(shí)驗系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)實(shí)驗?zāi)Ｊ酱嬖诘膶?shí)驗測量誤差大、復(fù)雜圖線顯示困難等弊端，能夠直觀地展現(xiàn)理論知識學(xué)習(xí)中的計算和曲線繪制過程，有利于加深學(xué)生對理論知識的學(xué)習(xí)和掌握，解決理論與實(shí)踐脫節(jié)的問題，變被動為主動。同時，虛擬實(shí)驗系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可操作性，可以將學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中難以理解甚至在課堂上沒有學(xué)懂的知識圖形化、具體化，也可以將教師從傳統(tǒng)的純黑板的教學(xué)模式中解放出來，很好地解決多媒體教學(xué)中可視化環(huán)節(jié)難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時性和動態(tài)性的問題，讓學(xué)生可以簡單直接領(lǐng)會和理解課程學(xué)習(xí)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，為學(xué)生創(chuàng)造一種輕松而新穎的教學(xué)、學(xué)習(xí)環(huán)境[3]，為后續(xù)的綜合性設(shè)計型實(shí)驗奠定基礎(chǔ)，有助于調(diào)動學(xué)生的積極性，將實(shí)驗帶來的教學(xué)效益發(fā)揮到最大化。

基于MATLAB GUI具有對圖形和數(shù)據(jù)的處理優(yōu)勢大、對控制系統(tǒng)分析計算方便的優(yōu)點(diǎn)[6]，本文設(shè)計和實(shí)現(xiàn)基于MATLAB GUI的自動控制原理虛擬實(shí)驗系統(tǒng)，包括八個模塊，分別是系統(tǒng)建模、時域分析、根軌跡分析、頻域分析、控制系統(tǒng)校正、離散系統(tǒng)分析、非線性系統(tǒng)分析和綜合設(shè)計實(shí)驗，如圖1所示。實(shí)驗5～8為新增實(shí)驗內(nèi)容，調(diào)整后的實(shí)驗項目內(nèi)容上涵蓋了自動控制原理課程的全部內(nèi)容，使學(xué)生能夠更全面地掌握相關(guān)知識點(diǎn)，旨在提高學(xué)生的分析和設(shè)計系統(tǒng)的能力。

綜合考慮實(shí)驗內(nèi)容學(xué)習(xí)、實(shí)驗操作、人機(jī)交互等因素，虛擬實(shí)驗系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖2所示，平臺整體搭建主要包括主界面、實(shí)驗?zāi)K選擇界面和各模塊子系統(tǒng)界面三部分，設(shè)計力求直觀、簡單、方便，讓學(xué)生可以快速找到相關(guān)功能并進(jìn)行操作。在設(shè)計界面時，利用多個靜態(tài)文本框（Static Text）來顯示主題，利用按鈕（Push Button）來選擇相關(guān)操作，利用可編輯文本（Edit Text）來進(jìn)行參數(shù)的輸入，利用axes來實(shí)現(xiàn)圖片或運(yùn)行曲線的顯示。

虛擬實(shí)驗系統(tǒng)運(yùn)行后首先進(jìn)入主界面，進(jìn)行“使用說明”“開始實(shí)驗”“實(shí)驗報告要求”和“退出”四項選擇，選擇“開始實(shí)驗”后進(jìn)入實(shí)驗?zāi)K選擇界面，可進(jìn)行八個實(shí)驗?zāi)K的選擇與切換，選擇其中某一模塊后進(jìn)入實(shí)驗子系統(tǒng)模塊界面，可進(jìn)行實(shí)驗?zāi)康?、知識講解、例題講解、實(shí)驗內(nèi)容的相關(guān)學(xué)習(xí)。同時，每個實(shí)驗子系統(tǒng)模塊均設(shè)置有對實(shí)驗內(nèi)容演示說明的選項，使學(xué)生明確實(shí)驗所需實(shí)現(xiàn)的功能和應(yīng)達(dá)到的實(shí)驗效果。

如實(shí)驗5“控制系統(tǒng)校正”中的串聯(lián)校正分析演示，選擇后界面如圖3所示，輸入待校正系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)（分子、分母系數(shù)）及系統(tǒng)性能指標(biāo)要求：開環(huán)增益K=10，截止頻率ωc≥4.4 rad/s，相角裕度γ（ωc）≥45°，幅值裕度h≥10 dB，可通過選擇“待校正系統(tǒng)分析”（圖3中藍(lán)色按鈕）計算校正前系統(tǒng)性能指標(biāo)，并在界面左上部繪制出校正前系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線，可得γ（ωc）=17.96°，ωc=3.08 rad/s，可知均不滿足要求。

通過選擇“系統(tǒng)校正”可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)校正元件傳遞函數(shù)設(shè)計，給出其分子、分母系數(shù)，由圖3可知，為串聯(lián)超前校正。同時，在界面左上部繪制校正前后系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線（校正前為實(shí)線，校正后為虛線），計算校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo)，可得γ（ωc）=49.34°，ωc=4.4 rad/s，h=+∞，各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。系統(tǒng)在輸入不正確及校正完成后能給予相應(yīng)提示，如圖3中紅色文字所示。

對實(shí)驗方式的改革 ?自動控制原理的實(shí)驗方式由原有的單一基礎(chǔ)驗證型實(shí)驗轉(zhuǎn)變基礎(chǔ)驗證型、綜合設(shè)計型、創(chuàng)新型實(shí)驗項目相結(jié)合的實(shí)驗體系。原有的實(shí)驗方式中，學(xué)生對數(shù)學(xué)模型難以建立直觀的概念，只停留在理論層次，很難建立抽象的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際物理系統(tǒng)之間的聯(lián)系。新的實(shí)驗體系中增加了創(chuàng)新型實(shí)驗作為課程設(shè)計的內(nèi)容，以磁盤驅(qū)動讀取系統(tǒng)、加熱爐爐溫控制系統(tǒng)這些實(shí)際的物理系統(tǒng)作為研究對象，通過分析系統(tǒng)的組成與變量之間的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行性能分析，根據(jù)設(shè)計要求靈活構(gòu)建解決方案并進(jìn)行校正設(shè)計，使學(xué)生能利用理論知識解決實(shí)際工程問題，注重控制理論的工程意義和實(shí)用性，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、分析解決問題的能力和綜合應(yīng)用、獨(dú)立創(chuàng)新設(shè)計與實(shí)踐的能力。

對考核方式的改革 ?在原有考核方式中，實(shí)驗成績由教師根據(jù)學(xué)生的考勤、實(shí)驗報告兩部分給出。由于驗證型實(shí)驗的結(jié)果通常是唯一的，這導(dǎo)致部分學(xué)生不認(rèn)真做實(shí)驗，甚至玩手機(jī)或上網(wǎng)混時間，通過抄襲其他學(xué)生的實(shí)驗結(jié)果或報告，獲得與認(rèn)真獨(dú)立完成實(shí)驗的學(xué)生相同的實(shí)驗成績。在新的實(shí)驗體系中，加強(qiáng)了對實(shí)驗前預(yù)習(xí)的要求，實(shí)驗完成前提交預(yù)習(xí)報告。同時，教師針對每個模塊的實(shí)驗操作設(shè)計5～10個思考題，實(shí)驗完成后由學(xué)生當(dāng)場回答其中的2～3個問題[3]。由于綜合性創(chuàng)新型實(shí)驗設(shè)計方案的多樣化，在考核過程中，教師不僅考核學(xué)生的調(diào)試過程與實(shí)驗結(jié)果，同時考核他們的設(shè)計依據(jù)，并要求對出現(xiàn)的問題給出合理解釋。同時，將原有的實(shí)驗成績占總成績的10%增加到20%，加強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗的重視度。實(shí)驗的最終評分根據(jù)考勤、預(yù)習(xí)報告、實(shí)驗操作與回答問題情況、實(shí)驗報告綜合給出，從根本上調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，可以反映學(xué)生的真實(shí)水平，杜絕學(xué)生的抄襲問題。

實(shí)驗教材編寫 ?為配合實(shí)驗內(nèi)容和實(shí)驗方式的改革，根據(jù)實(shí)際情況，在總結(jié)原有零散的實(shí)驗講義的基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬實(shí)驗系統(tǒng)的相關(guān)功能，編寫教材《自動控制原理實(shí)驗指導(dǎo)》，對實(shí)驗?zāi)康?、?shí)驗原理、實(shí)驗內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)說明，循序漸進(jìn)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗相關(guān)的知識并通過實(shí)例幫助學(xué)生更好地理解實(shí)驗原理，從而有針對性地完成所規(guī)定的實(shí)驗內(nèi)容。同時，實(shí)驗教材對實(shí)驗報告提出具體要求，要求學(xué)生按照實(shí)驗指導(dǎo)書進(jìn)行預(yù)習(xí)，引發(fā)學(xué)生思考，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參加實(shí)驗的學(xué)習(xí)熱情。

3 結(jié)語

本文配合自動控制原理實(shí)驗教學(xué)體系改革的相關(guān)項目，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為目標(biāo)，構(gòu)建和充實(shí)由基礎(chǔ)驗證、綜合設(shè)計和創(chuàng)新型設(shè)計實(shí)驗組成的自動控制原理實(shí)驗課程教學(xué)體系。新的實(shí)驗體系實(shí)施以后，在以下幾方面取得很好的效果。

1）學(xué)生可以更好地理解課堂內(nèi)所學(xué)習(xí)理論知識，培養(yǎng)對實(shí)驗的學(xué)習(xí)興趣和主動性，希望有更多的機(jī)會能參加實(shí)踐，提高動手能力。

2）理論與實(shí)踐相結(jié)合的創(chuàng)新設(shè)計實(shí)驗有一定難度，但學(xué)生通過實(shí)驗設(shè)計不僅可以更深刻地理解與直觀地認(rèn)識控制系統(tǒng)的基本原理，而且可以提高分析解決問題的能力以及團(tuán)隊合作精神。

3）完善后的實(shí)驗成績考核方式，能更準(zhǔn)確客觀地反映學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)狀況和水平，受到學(xué)生好評。

4）自動控制原理虛擬實(shí)驗系統(tǒng)整體運(yùn)行良好，達(dá)到設(shè)計的目標(biāo)要求，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐表明，系統(tǒng)可解決傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗中實(shí)驗設(shè)備數(shù)量不足、知識講解抽象、學(xué)生理解困難等問題，具有上手快、操作簡單、結(jié)果顯示直觀等優(yōu)點(diǎn)，起到提高學(xué)習(xí)質(zhì)量的作用。

5）完備的自動控制原理實(shí)驗教材，能幫助學(xué)生更好地在實(shí)驗前做好預(yù)習(xí)工作，明確實(shí)驗任務(wù)和目標(biāo)，給學(xué)生時間去思考問題，通過查閱文獻(xiàn)或與同學(xué)交流解決問題，為順利完成實(shí)驗打下良好的基礎(chǔ)。

完善后的實(shí)驗教學(xué)體系，對于培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗態(tài)度，提高靈活運(yùn)用理論知識的綜合能力大有幫助，為相關(guān)課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計打下堅實(shí)的基礎(chǔ)，同時有助于強(qiáng)化實(shí)驗教學(xué)效果，提高實(shí)驗教學(xué)質(zhì)量。

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