分階段的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討

溫素芳，王志和，肖志云

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080）

《自動(dòng)控制原理》是我院自動(dòng)化、電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在整個(gè)專業(yè)知識(shí)體系中占據(jù)非常重要的地位，不但為后續(xù)《現(xiàn)代控制理論》《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》和《過(guò)程控制系統(tǒng)》等本科生專業(yè)課程提供理論基礎(chǔ)和分析設(shè)計(jì)方法，也是《智能控制》《線性系統(tǒng)理論》和《自適應(yīng)控制》等研究生課程的基礎(chǔ)。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握用系統(tǒng)的觀點(diǎn)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，對(duì)于工程實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)作用。

《自動(dòng)控制原理》課程理論性較強(qiáng)，有一定的深度和學(xué)習(xí)難度，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中容易感到枯燥乏味，產(chǎn)生厭學(xué)情緒，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)是保證課程教學(xué)效果的重要部分，是更好地實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)際有機(jī)結(jié)合的橋梁，是將知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力的重要環(huán)節(jié)。搞好實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅可以使學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)有更深刻的理解和把握，有效地提高教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，提高思維能力、動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)水平和創(chuàng)新精神起著重要的作用，更好地滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，社會(huì)對(duì)工程領(lǐng)域人才的要求。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課程建設(shè)的一個(gè)重要方面。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程現(xiàn)狀

傳統(tǒng)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)采用電子模擬實(shí)驗(yàn)箱，即由模擬實(shí)驗(yàn)裝置加上示波器，在實(shí)驗(yàn)箱面板上連接相應(yīng)的典型環(huán)節(jié)或系統(tǒng)，通過(guò)示波器觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線及各項(xiàng)指標(biāo)。當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定，主要是按章節(jié)進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)儀器功能固定，實(shí)驗(yàn)只能按照指導(dǎo)書設(shè)計(jì)好的步驟進(jìn)行，測(cè)數(shù)據(jù)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，完成實(shí)驗(yàn)。雖然這種方式可以在一定程度上提高學(xué)生的動(dòng)手能力，加深對(duì)課堂所學(xué)內(nèi)容的理解，但由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間限制，一般要求在實(shí)驗(yàn)室2個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)完成，少部分學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成不了，就容易敷衍了事。另外，此實(shí)驗(yàn)缺少實(shí)際控制對(duì)象，學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)沒(méi)有直觀認(rèn)識(shí)，對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題缺少系統(tǒng)、多角度的分析，因此，在一定程度上限制了學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，難以激發(fā)他們獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的激情，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，對(duì)提高實(shí)踐能力的作用也是有限的，因此對(duì)該課程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)改革是十分必要的。

2 分階段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

2.1 課前增加演示實(shí)驗(yàn)

緒論是《自控控制原理》課程的第一課，主要介紹一些基本的概念、系統(tǒng)的組成和原理以及對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求等，但常規(guī)的講解結(jié)束后，大部分學(xué)生對(duì)這門課程的主要任務(wù)不是很明確，所以我們要從緒論入手，給學(xué)生做幾個(gè)演示性實(shí)驗(yàn)，利用演示實(shí)驗(yàn)導(dǎo)入教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

目前我們學(xué)院采購(gòu)的演示實(shí)驗(yàn)設(shè)備有磁懸浮系統(tǒng)、板球系統(tǒng)、球桿系統(tǒng)、吹擺系統(tǒng)和便攜式倒立擺系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示，我們可以用演示實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)教學(xué)情景，有了具體的控制對(duì)象，學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)有一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)，使學(xué)生對(duì)課程產(chǎn)生好奇心，促使他們積極地思考，產(chǎn)生一些疑問(wèn)，并且渴望得到解決。這樣主觀上就有了想了解該課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容和在實(shí)際中應(yīng)用的愿望，就能帶著強(qiáng)烈的求知欲和濃厚的興趣來(lái)學(xué)習(xí)這門課程，而且這些演示實(shí)驗(yàn)裝置可以作為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

圖1 演示實(shí)驗(yàn)裝置

2.2 課程教學(xué)期間模擬實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

可以將自動(dòng)控制原理模擬實(shí)驗(yàn)與MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，做到以下幾點(diǎn)：

（1）引入仿真實(shí)驗(yàn)，豐富預(yù)習(xí)的形式。以往學(xué)生預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)都是把實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容抄一遍，大部分學(xué)生不知道實(shí)驗(yàn)的最終正確結(jié)果和結(jié)論，有了仿真軟件，可以讓學(xué)生在做模擬實(shí)驗(yàn)之前先做仿真實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解和掌控，更加有效的預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，大大提高實(shí)驗(yàn)效率，取得良好的實(shí)驗(yàn)效果。

（2）克服了現(xiàn)有設(shè)備的缺陷。利用MATLAB軟件很容易實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的改變，學(xué)生更加方便、直觀地看出參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的影響。例如在做校正實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，由于我們實(shí)驗(yàn)箱用于擴(kuò)展的地方有限，很難滿足學(xué)生設(shè)計(jì)的不同的校正電路參數(shù)，而利用MATLAB軟件，學(xué)生可以按照自己的設(shè)計(jì)方法，得到校正前后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線。

（3）擴(kuò)充模擬實(shí)驗(yàn)沒(méi)有的項(xiàng)目。例如高階系統(tǒng)的閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)的性質(zhì)，根軌跡部分傳遞函數(shù)的零極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)根軌跡以及過(guò)渡過(guò)程的影響等內(nèi)容無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，就可以進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究。

（4）部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以作為教師的課堂教學(xué)內(nèi)容，在理論教學(xué)過(guò)程中融入MATLAB仿真教學(xué)，這不僅增強(qiáng)了分析過(guò)程和分析結(jié)果的可視性，讓控制理論不再僅僅是書本上枯燥的公式推導(dǎo)和抽象的圖表，讓抽象的理論變得直觀易懂。

2.3 課程結(jié)束后集中課程設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)是一種綜合訓(xùn)練，能將課程所學(xué)的知識(shí)串聯(lián)到一起，包括數(shù)學(xué)模型的建立、性能的分析、控制器的設(shè)計(jì)。但課程設(shè)計(jì)要將具有工程背景的實(shí)物系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)命題，將抽象的沒(méi)有任何物理含義的傳遞函數(shù)與被控對(duì)象的物理概念在學(xué)生的頭腦中聯(lián)系起來(lái)，控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的參數(shù)有了物理意義，評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣中的穩(wěn)、快、準(zhǔn)有了具體的含義，學(xué)生在設(shè)計(jì)時(shí)不是僅僅考慮實(shí)驗(yàn)結(jié)果能否滿足給定的指標(biāo)要求，而是要考慮能否讓控制系統(tǒng)更好地工作，在一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識(shí)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，否則面對(duì)實(shí)際控制任務(wù)，依然不知該如何應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。

例如設(shè)計(jì)一個(gè)爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制對(duì)象是電廠的加熱爐還是家用的水壺，考慮的指標(biāo)和方法都不一樣。針對(duì)該控制對(duì)象將自動(dòng)控制理論的知識(shí)分模塊有步驟地展開研究。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生會(huì)向自己提出一個(gè)又一個(gè)的問(wèn)題，并為解決這些問(wèn)題不斷地收集資料、整理資料，主動(dòng)、自行地安排自己的學(xué)習(xí)，對(duì)許多知識(shí)有了更深入的認(rèn)識(shí)和理解，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問(wèn)題的能力，對(duì)知識(shí)的理解上升到了一個(gè)新的高度。

2.4 開放實(shí)驗(yàn)

以班組為單位的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ讲荒軡M足不同個(gè)性、不同水平學(xué)生的需求，開放實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)很好的辦法，為學(xué)有余力和感興趣的同學(xué)提供獨(dú)立的思維空間和足夠的操作時(shí)間。目前我們實(shí)驗(yàn)室可開設(shè)的 部分實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目列表1所示，其中每一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)馨阉鶎W(xué)的數(shù)電、模電、檢測(cè)技術(shù)等硬件知識(shí)，以及自動(dòng)控制原理、程序設(shè)計(jì)和編制等軟件知識(shí)綜合運(yùn)用，將自動(dòng)控制與其他課程結(jié)合，做到對(duì)知識(shí)的延伸，讓學(xué)生真正理解所學(xué)課程與其他課程的關(guān)聯(lián)性，也能加深學(xué)生對(duì)本專業(yè)的認(rèn)識(shí)，使他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室體驗(yàn)到研究的樂(lè)趣，提高了學(xué)生主動(dòng)探索專業(yè)知識(shí)的能力和科研素養(yǎng)，提高對(duì)控制系統(tǒng)的全面分析和綜合設(shè)計(jì)能力。

表1 開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，針對(duì)《自動(dòng)控制原理》課程的特點(diǎn)提出了分階段的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。通過(guò)課前增加演示實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力；在理論課教學(xué)期間實(shí)行電子模擬實(shí)驗(yàn)和軟件仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)的不足，還可以直觀理解抽象的理論知識(shí)；課后組織具有工程背景的課程設(shè)計(jì)，把所學(xué)的各部分知識(shí)串聯(lián)到一起，培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識(shí)；最后，學(xué)有余力的學(xué)生可以選作一些開放實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。這種從低到高，從接受知識(shí)到培養(yǎng)綜合能力的分階段實(shí)驗(yàn)新體系，符合學(xué)生的認(rèn)知習(xí)慣，學(xué)生的思維能力、實(shí)踐能力得到良好的訓(xùn)練，從整體上培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)的能力,從而滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下，社會(huì)對(duì)工程領(lǐng)域人才的要求。