基于軌道交通硬件平臺的“自動控制原理”實驗教學(xué)改革＊

江樺

（西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都611756）

“自動控制原理”這門課是自動化、網(wǎng)絡(luò)工程（鐵道信號方向）、測控專業(yè)等相關(guān)專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其最終目的是使學(xué)生在實際工程應(yīng)用中學(xué)會對控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計及調(diào)試。由于該門課程數(shù)學(xué)基礎(chǔ)寬而深，理論知識較難，涉及的相關(guān)學(xué)科知識較多，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)理解、掌握知識困難，并且難以應(yīng)用等問題。因此，理論結(jié)合實踐的教學(xué)方法有助于學(xué)生在全面理解并掌握自動控制系統(tǒng)的基本理論的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)其動手能力及工程實踐能力。

1 引言

目前大部分高?！白詣涌刂圃怼闭n程的實驗環(huán)節(jié)課時較少，內(nèi)容陳舊，模式單一，要么采用單一的電路模擬方法進(jìn)行系統(tǒng)的性能分析，要么采用Matlab 軟件進(jìn)行仿真，不能將理論和實踐有機(jī)結(jié)合，忽略了對學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和獨立解決問題能力的培養(yǎng)，束縛了學(xué)生對于新知識的探索，不利于學(xué)校培養(yǎng)出當(dāng)代社會所需要的高素質(zhì)高能力人才。因此，對傳統(tǒng)的“自動控制原理”實踐教學(xué)改革勢在必行。

為與本校特色相結(jié)合，踐行“交通強(qiáng)國”基調(diào)，與專業(yè)緊密聯(lián)系，西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院鐵道信息工程系結(jié)合3D 打印、電子、無線通信以及智能控制等技術(shù)研發(fā)具有測速、定位功能的新型模擬機(jī)車的控制系統(tǒng)，搭建軌道交通硬件平臺，建成了鐵道信號仿真實驗室。為建設(shè)發(fā)展新工科，以新工科理念為先導(dǎo)，分析研究新工科內(nèi)涵、特征、規(guī)律和發(fā)展趨勢等，充分利用現(xiàn)有的城軌實驗室平臺，通過搭建硬件實物平臺，開發(fā)“自動控制原理”綜合性實驗，形成以學(xué)生為中心的工程教育模式，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情，進(jìn)而提升實踐教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生理論結(jié)合實踐的能力，為培養(yǎng)造就大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才打下堅實基礎(chǔ)。

2 “理論—實驗—應(yīng)用”的實踐教學(xué)體系

新工科是以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑。新工科的建設(shè)對高校教師提出了更高要求。在教學(xué)過程中，教師應(yīng)在更新教育理念、轉(zhuǎn)變教學(xué)方式、制訂人才培養(yǎng)新模式、提高教育教學(xué)質(zhì)量等方面做出積極探索與實踐。

為滿足當(dāng)前“新工科”建設(shè)背景下的新需求，本文從教學(xué)模式、課內(nèi)實驗內(nèi)容、其他實踐教學(xué)3 個方面對“自動控制原理”實驗教學(xué)進(jìn)行改革，將實踐教學(xué)貫穿于教學(xué)全過程中，著力培養(yǎng)“新工科”背景下具有綜合創(chuàng)新能力、科技開發(fā)能力的高素質(zhì)應(yīng)用型創(chuàng)新人才。

2.1 “理論—實驗—應(yīng)用”的教學(xué)模式

“自動控制原理”課程理論性較強(qiáng)，圍繞新工科建設(shè)路線，對于學(xué)生培養(yǎng)方面理論聯(lián)系實際的要求，由課堂“教師中心型”轉(zhuǎn)向“上下聯(lián)動型”。線上教學(xué)包括MOOC 的視頻和在線作業(yè)及測試、在線答疑及討論等；線下教學(xué)結(jié)合“基于問題學(xué)習(xí)”的教學(xué)法，包括課堂講解、問題分析及討論、問題匯報及點評、課堂練習(xí)及測試等環(huán)節(jié)。此外，線下教學(xué)時可采用慕課堂等工具設(shè)置練習(xí)、討論等教學(xué)手段，使學(xué)生緊跟老師，全程思維在線。采用“理論—實驗—應(yīng)用”的教學(xué)模式，構(gòu)建實踐教學(xué)體系，設(shè)計動手實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，達(dá)到加深學(xué)生對于“自動控制原理”課程基礎(chǔ)知識的理解，通過動手實踐培養(yǎng)學(xué)生對于學(xué)習(xí)的樂趣，進(jìn)而將實踐教學(xué)延伸到科研學(xué)術(shù)活動，提升教學(xué)效果。

部分學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不能理解該課程教學(xué)內(nèi)容間的聯(lián)系與區(qū)別，以自動控制系統(tǒng)常見對象——電機(jī)為例采用“理論—實驗—應(yīng)用”的教學(xué)模式介紹該方法。電機(jī)的數(shù)學(xué)模型的獲得可通過解析法和實驗法獲得。課堂上，教師從理論上介紹建立電機(jī)數(shù)學(xué)模型的方法，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行電機(jī)數(shù)學(xué)模型的建立。在實踐教學(xué)中，教師指導(dǎo)學(xué)生就電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行從開環(huán)、閉環(huán)結(jié)構(gòu)，時域、頻域分析系統(tǒng)的性能分析，選擇根軌跡法、頻率響應(yīng)法、PID 等進(jìn)行校正，以改善其性能。最后，將設(shè)計的校正裝置用于新型模擬機(jī)車的測速控制系統(tǒng)，形成完整的“理論—實驗—應(yīng)用”教學(xué)體系，可較好地理論聯(lián)系實際，使學(xué)生清楚掌握理論的學(xué)習(xí)目標(biāo)，完整、充分地認(rèn)識控制理論體系。

2.2 開展分層次遞進(jìn)式實驗教學(xué)內(nèi)容

對已開設(shè)的基于“Matlab 軟件”的數(shù)字仿真實驗和基于電模擬方式的模擬仿真實驗內(nèi)容進(jìn)行整合和優(yōu)化，精選必做的驗證性和設(shè)計性實驗，并在已有的城市軌道交通仿真實驗平臺上，加入基于軌道交通設(shè)備、新型模擬機(jī)車的測速、定位功能的控制系統(tǒng)的綜合性實驗，構(gòu)成多層次遞進(jìn)式實驗教學(xué)。在掌握相關(guān)理論知識的同時，重點突出學(xué)生工程能力、實踐能力、創(chuàng)新能力和自學(xué)能力的培養(yǎng)。

如何理論聯(lián)系實際是“自動控制原理”課程的一大難點。例如學(xué)習(xí)系統(tǒng)頻率特性時，如何讓學(xué)生從本質(zhì)上認(rèn)識頻率特性的概念是這部分內(nèi)容的基礎(chǔ)，在掌握頻率特性概念后，如何分析系統(tǒng)的頻率特性是該部分的一個重點。在完成理論課后，可先完成“基于Matlab 的線性系統(tǒng)的頻域分析”實驗，從理論上掌握頻率特性的概念，完成Bode 圖及Nyquist 曲線的繪制，真正從理論上掌握頻率特性的概念及系統(tǒng)頻率特性分析方法。此外，頻率的特性物理意義及其應(yīng)用是該部分內(nèi)容的的難點?？赏ㄟ^完成“線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析”實驗，掌握對簡單的可通過解析法建模的系統(tǒng)采用實驗法獲得其頻率特性，并能通過測量得到的頻率特性獲得系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，以此進(jìn)一步明確頻率特性的物理意義及其應(yīng)用。最后，理論結(jié)合實際，針對軌道交通硬件平臺的新型模擬機(jī)車?yán)妙l率特性測試其數(shù)學(xué)模型，為系統(tǒng)設(shè)計與校正提供堅實基礎(chǔ)。采用這種方式，最終實現(xiàn)分層次遞進(jìn)式的實驗教學(xué)，在幫助學(xué)生融匯貫通相關(guān)知識點的同時，進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的工程能力、實踐能力等。

2.3 開放性實驗及課外實踐教學(xué)

在學(xué)生積累了相應(yīng)的知識或需進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)智能控制等相關(guān)知識并實踐時，教師可指導(dǎo)性地提出問題，例如基于各種智能控制算法的模擬車速度控制系統(tǒng)設(shè)計、模擬車定點停車系統(tǒng)設(shè)計、鐵道沙盤車站溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計等。搭建的硬件平臺由西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院鐵道信息工程系的教師們自主設(shè)計，可將底層的資料開放給學(xué)生，讓學(xué)生從本質(zhì)上了解硬件到底是什么，引導(dǎo)學(xué)生利用軌道交通的硬件平臺進(jìn)行開放性實驗、SRTP、畢業(yè)設(shè)計、各類競賽及科學(xué)研究等，進(jìn)一步提高學(xué)生的實踐動手能力、科研能力。

2.4 考核模式

基礎(chǔ)性實驗主要是針對理論教學(xué)的重要知識點開設(shè)，要求學(xué)生掌握對應(yīng)概念及分析、設(shè)計方法，因此以驗證性實驗為主。主要考核學(xué)生能否根據(jù)給定的對象傳遞函數(shù)、性能指標(biāo)要求，設(shè)計出校正裝置，并仿真進(jìn)行驗證，最后根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)及完成效果進(jìn)行評分。

對于基于城市軌道交通設(shè)備等的應(yīng)用性實驗，要求查閱相關(guān)資料，完成系統(tǒng)分析、控制器設(shè)計、參數(shù)制定的設(shè)計，根據(jù)完成度給出分?jǐn)?shù)。要求學(xué)生學(xué)會工程需求分析，并選擇設(shè)計合理的控制方案，將分析和仿真結(jié)果以報告形式提交。

通過以上方法引導(dǎo)學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的同時，通過綜合性實驗提高自身綜合素質(zhì)。

3 結(jié)論

建設(shè)發(fā)展新工科，以新工科理念為先導(dǎo)，分析研究新工科內(nèi)涵、特征、規(guī)律和發(fā)展趨勢等，充分利用現(xiàn)有的城軌實驗室平臺，研究如何通過搭建硬件實物平臺，開發(fā)“自動控制原理”綜合性實驗，形成以學(xué)生為中心的工程教育模式，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)熱情，進(jìn)而提升實踐教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生理論結(jié)合實踐的能力，為培養(yǎng)造就大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才打下堅實基礎(chǔ)。

“理論—實驗—應(yīng)用”的教學(xué)模式和分層次遞進(jìn)式實驗教學(xué)繼承了“自動控制原理”課程的原有教學(xué)模式，進(jìn)一步深入踐行了以應(yīng)用為目的的教學(xué)思想。和應(yīng)用相結(jié)合、基于項目開發(fā)的綜合性實驗等可擺脫“自動控制原理”課程理論和實際應(yīng)用脫離的缺點。受益專業(yè)較廣，包括鐵道信號、城軌控制、交通運(yùn)輸、測控、自動化等相關(guān)專業(yè)。同時基于軌道交通硬件平臺的“自動控制原理”實驗教學(xué)改革正是適應(yīng)新工科的要求，實現(xiàn)自動控制理論與軌道交通的交叉與融合，引入更多實踐的內(nèi)容，加深學(xué)生對課程的掌握程度，為學(xué)生今后的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。