《控制理論綜合實(shí)驗(yàn)》改革與實(shí)踐

冉陳鍵　竇寅豐

摘要：《控制理論綜合實(shí)驗(yàn)》主要包含《自動(dòng)控制原理》和《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》兩門課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，是自動(dòng)化專業(yè)的重要基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。文章針對(duì)該實(shí)驗(yàn)課程在本科教學(xué)中的現(xiàn)狀，提出了新的改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)措施。教師的工作更側(cè)重于介紹實(shí)驗(yàn)設(shè)備和提供設(shè)計(jì)思路，由學(xué)生自主選擇實(shí)驗(yàn)元件、制定實(shí)驗(yàn)方案、編程仿真并完成實(shí)驗(yàn)。改革實(shí)踐初步證明，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新和實(shí)踐能力都得到了很大提高。

關(guān)鍵詞： 控制理論；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革；自主；創(chuàng)新

1引言

《自動(dòng)控制原理》和《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》作為大學(xué)自動(dòng)化類專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，其中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)可以直接影響到學(xué)生對(duì)控制理論知識(shí)的掌握程度， 并間接影響后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)的控制理論綜合實(shí)驗(yàn)在以下方面具有很大的缺點(diǎn)，如教學(xué)環(huán)節(jié)受實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的局限、實(shí)驗(yàn)時(shí)間上的不連貫性。這些都從空間和時(shí)間上極大限制了學(xué)生的思維活躍性，不利于學(xué)生自身分析解決問題能力的培養(yǎng)。

針對(duì)上述該實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的種種弊端，以鍛煉學(xué)生的實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新思維為目標(biāo)，我們?cè)趥鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式上進(jìn)行了一系列改進(jìn)。經(jīng)過多年的實(shí)踐表明，新的控制理論綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法無論對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力，還是解決問題的能力都十分有利，且使得學(xué)生對(duì)已掌握的理論知識(shí)有了更深一步的理解，課堂的教學(xué)效果取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

2目前控制理論綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足

由于課程設(shè)置和學(xué)時(shí)等客觀的原因，之前的控制理論綜合實(shí)驗(yàn)課每周只做一次實(shí)驗(yàn)，學(xué)生已掌握的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和技能得不到及時(shí)復(fù)習(xí)和鞏固，很難全面深入地理解實(shí)驗(yàn)，對(duì)每次實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題也缺少進(jìn)一步分析，大大限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維發(fā)展和實(shí)踐能力的鍛煉，不利于學(xué)生綜合實(shí)踐能力的提高。較長(zhǎng)的時(shí)間間隔也使學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)都要對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備重新熟悉，同時(shí)還使一些互為補(bǔ)充的相關(guān)實(shí)驗(yàn)不能及時(shí)得到比較和驗(yàn)證。

3實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的具體思路

從一周一次實(shí)驗(yàn)課改為一周兩次實(shí)驗(yàn)課，根據(jù)學(xué)生數(shù)量分為4～6組，并在每組預(yù)留一些實(shí)驗(yàn)位置。這樣不但實(shí)驗(yàn)銜接緊湊，而且學(xué)生還可以根據(jù)自身情況重復(fù)實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上增強(qiáng)控制理論綜合實(shí)驗(yàn)各個(gè)項(xiàng)目之間的承接，變單一驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為綜合性實(shí)驗(yàn)。其中包括實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的參數(shù)選擇及調(diào)試、故障的排除以及用軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真等內(nèi)容。

在對(duì)學(xué)生給出實(shí)驗(yàn)成績(jī)時(shí)，重視實(shí)驗(yàn)全過程。將實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)效率以及解決問題的能力劃入重點(diǎn)考評(píng)范圍，進(jìn)一步降低實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告在實(shí)驗(yàn)總成績(jī)中的分?jǐn)?shù)占比，提高學(xué)生在課上的實(shí)驗(yàn)過程以及學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容理解程度的分?jǐn)?shù)占比及重要性。

為適應(yīng)實(shí)驗(yàn)課程改革的需要，我們自動(dòng)化教研室重新編寫了《控制理論綜合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》。在實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中只給出了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄表格，實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)原理中的理論公式作為預(yù)習(xí)內(nèi)容，由學(xué)生根據(jù)理論課相關(guān)知識(shí)在課前完成。上課過程中，實(shí)驗(yàn)教師根據(jù)學(xué)生設(shè)計(jì)的電路以及實(shí)驗(yàn)完成情況進(jìn)行點(diǎn)評(píng)、指導(dǎo)及打分。如有時(shí)間，由設(shè)計(jì)較優(yōu)秀的學(xué)生為大家講解其設(shè)計(jì)思路并進(jìn)行總結(jié)。

改革后的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ酱蚱屏恕袄蠋煱磿v、學(xué)生照書做”的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，把實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生，讓學(xué)生成為課堂的主人，更好地激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維。這門操作較為簡(jiǎn)單、但學(xué)生發(fā)揮空間較大的《線性系統(tǒng)的校正》實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書僅僅給出系統(tǒng)校正后的性能指標(biāo)要求，而校正后的傳遞函數(shù)的推導(dǎo)、校正電路的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)步驟以及記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果的表格全部由學(xué)生在課前的預(yù)習(xí)工作中完成。對(duì)于在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題也由學(xué)生自行分析并解決。預(yù)習(xí)中出現(xiàn)的問題、實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題、如何解決問題以及本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)、難點(diǎn)都由學(xué)生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告最后進(jìn)行總結(jié)。這樣，我們通過一個(gè)簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，不但可以對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)踐能力進(jìn)行鍛煉，還能有效地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維并提高其設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。

4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革重中之重。為了鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力，我們?cè)诮虒W(xué)內(nèi)容中著重強(qiáng)調(diào)了對(duì)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力以及實(shí)踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

4.1實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)技能的訓(xùn)練

控制理論綜合實(shí)驗(yàn)改革的目的是進(jìn)一步提高學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能。其中包括：數(shù)字萬用表的正確使用方法；TD-ACS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相關(guān)單元的性能參數(shù)測(cè)定及故障診斷；典型環(huán)節(jié)的電路設(shè)計(jì)及故障診斷；典型系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)及故障診斷；線性系統(tǒng)的根軌跡分析；線性系統(tǒng)的頻率特性分析；信號(hào)的采樣方法及采樣頻率的判斷；PID控制方法及PID參數(shù)的整定方法等。通過這些實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)技能訓(xùn)練，學(xué)生可以進(jìn)一步加深自動(dòng)控制原理和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程中理論知識(shí)的印象，并掌握實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)故障診斷的一般方法。

4.2實(shí)驗(yàn)部分內(nèi)容舉例

《積分分離PID控制方法》與《簡(jiǎn)易工程法整定PID參數(shù)》兩個(gè)實(shí)驗(yàn)屬于具有一定關(guān)聯(lián)性的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在一周之內(nèi)連續(xù)完成，不但實(shí)驗(yàn)效率較高，對(duì)理論知識(shí)的掌握和應(yīng)用也會(huì)進(jìn)一步加深。

（1） 在《積分分離PID控制方法》實(shí)驗(yàn)中給出一個(gè)典型的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及所提供的元器件自行補(bǔ)全實(shí)驗(yàn)電路圖中缺失的部分。學(xué)生可根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師的指引，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表格，并擬定實(shí)驗(yàn)中的PID參數(shù)。結(jié)合每個(gè)參數(shù)變化對(duì)電路輸出信號(hào)的影響，從而總結(jié)出PID各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

（2） 總結(jié)出PID控制中各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)行程的影響規(guī)律后，學(xué)生才能在此基礎(chǔ)上高效地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)《簡(jiǎn)易工程法整定PID參數(shù)》。在本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生依然需要自行補(bǔ)全實(shí)驗(yàn)電路圖，并應(yīng)用臨界比例度法及擴(kuò)充相應(yīng)曲線法來整定PID參數(shù)。根據(jù)兩種實(shí)驗(yàn)方法得到的PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的控制效果若不理想，則可以通過上節(jié)實(shí)驗(yàn)總結(jié)的規(guī)律，適當(dāng)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，直到效果滿意為止。

（3） 對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)生的故障、如何判斷并解決問題等實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)認(rèn)真做好記錄，并對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。

在以上實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生須在課前預(yù)習(xí)工作中完成電路設(shè)計(jì)工作，且在課上通過測(cè)試。通過實(shí)驗(yàn)過程中的系統(tǒng)故障診斷與排除、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖表的規(guī)范設(shè)計(jì)等過程，提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)意義的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)技能的運(yùn)用能力，激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性思維，有效地提高了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)能力和在實(shí)驗(yàn)中排除、解決問題的能力。

除此之外我們還在實(shí)驗(yàn)中滲透了基于Matlab和Labview的仿真教學(xué)，學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中可以通過軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真，進(jìn)而印證自己實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)部分的正確性，并在實(shí)驗(yàn)課上將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)而提高實(shí)驗(yàn)課的質(zhì)量和效率，也對(duì)兩款經(jīng)典仿真軟件進(jìn)行初步學(xué)習(xí)。在課堂時(shí)間允許的情況下，學(xué)生之間也可以將自己實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的故障再現(xiàn)，考察其他學(xué)生的故障排除能力。通過總結(jié)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，以提高實(shí)驗(yàn)技能為出發(fā)點(diǎn)，從實(shí)驗(yàn)的理論研究到實(shí)驗(yàn)過程的設(shè)計(jì)，從實(shí)驗(yàn)器材的正確使用到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的故障診斷，從多個(gè)方面強(qiáng)化學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力。

5結(jié)論

我們通過對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革，真正做到了以學(xué)生為中心、教師為輔助的課堂翻轉(zhuǎn)模式。對(duì)課堂時(shí)間的靈活安排，使學(xué)生能在課上課下對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行高效學(xué)習(xí)，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對(duì)已掌握理論知識(shí)的理解和運(yùn)用能力。同時(shí)激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提高學(xué)習(xí)熱情，最終全面提高實(shí)驗(yàn)綜合素質(zhì)和能力，為塑造新時(shí)代工程應(yīng)用型人才打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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編輯∕姜雯