基于軟硬件相結(jié)合的自動控制原理綜合實驗教學改革

摘 要：自動控制原理綜合實驗是應用型本科院校自動化類專業(yè)的核心基礎課程。該課程將MATLAB語言仿真分析和NI ELVIS硬件平臺應用于實驗教學中，形成軟硬件相結(jié)合的實驗教學模式，激發(fā)了學生對自控原理課程的興趣與熱情，降低了自動控制原理的復雜性與抽象度；同時，引入過程性和綜合性評價考核機制。經(jīng)過改革，實驗教學顯著提升了學生的學習興趣，增強了學生的實踐操作能力、工程意識與專業(yè)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：自動控制原理 實驗教學 MATLAB 軟硬件

0 引言

自動控制原理是應用型本科院校自動化、機器人工程等專業(yè)的核心基礎課程，它在該類專業(yè)的知識體系中起著連接基礎知識與專業(yè)知識的橋梁作用[1]。該課程特色鮮明，理論性強，知識面廣泛，內(nèi)容豐富，具有一定的深度，學生往往難以將理論知識與實際操作緊密聯(lián)系起來[2-3]。實驗教學作為本課程的重要組成部分，是實現(xiàn)理論與實際相結(jié)合的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于應用型本科院校的自動化類專業(yè)教師而言，通過精心設計與實施實驗教學策略，我們旨在超越傳統(tǒng)界限，不僅加深學生對理論知識的內(nèi)化程度，更著重于培育他們初步具備分析復雜系統(tǒng)與設計有效控制系統(tǒng)的能力[4-5]。通過實驗環(huán)節(jié)的練習，學生可以更深入地理解課程的核心內(nèi)容和物理現(xiàn)象的機理，從而激發(fā)學習熱情，提升學習的主動性和自覺性。

1 軟件實驗教學改革

在實驗教學中引入MATLAB，通過簡單的控制命令或Simulink工具進行仿真，能夠?qū)⒊橄蟾拍罹唧w化，使學生直觀地觀察到實驗結(jié)果，從而顯著提升教學效果。在時域分析中，鑒于系統(tǒng)輸入輸出信號隨時間的動態(tài)變化特性，引入MATLAB語言作為教學工具，學生能夠靈活運用多種動態(tài)顯示，將原本抽象的函數(shù)轉(zhuǎn)化為直觀可視化的圖表與曲線；不僅極大地增強了教學內(nèi)容的直觀性，還有效破解了理論學習中普遍存在的抽象化難題，使學生能夠更直觀地把握信息在時間維度上的演變規(guī)律，從而深化對時域分析原理的理解與應用能力。

對于典型的二階系統(tǒng)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)形式為：Φ（s）=，在本例中，我們設定自然頻率ωn=2，并選取阻尼比 ζ 的五個不同值：0、0.25、0.5、1、2，以觀測系統(tǒng)對這些參數(shù)變化的響應特性。通過單位階躍響應的仿真，我們可以獲得如圖1（a）所示的仿真結(jié)果。實驗結(jié)果顯示，在 ζ 設置為0.5的條件下，系統(tǒng)輸出了最佳響應。為了深入探索ωn參數(shù)對系統(tǒng)性能的具體影響，我們保持ζ恒定在0.5，并選取了ωn的幾個關(guān)鍵值（2、4、6、8、10）進行單位階躍響應的觀測，實驗結(jié)果詳見圖1（b）。

通過分析仿真數(shù)據(jù)，在ωn保持不變的前提下，系統(tǒng)的動態(tài)行為隨著其內(nèi)部阻尼特性的自然演變（從欠阻尼經(jīng)臨界阻尼至過阻尼）而顯著變化。具體而言，隨著 ζ 理論上的增大趨勢，系統(tǒng)會表現(xiàn)出超調(diào)量的減少、上升時間的延長以及響應速度的減緩，同時穩(wěn)定性得以增強。

當 ζ 固定為0.5時，ωn的增加直接促進了系統(tǒng)性能的提升。具體表現(xiàn)為，系統(tǒng)達到峰值的時間顯著縮短，上升時間也隨之減少，這直接加速了系統(tǒng)的響應時間。同時，調(diào)節(jié)時間的縮短進一步證明了系統(tǒng)對輸入變化的快速適應能力。綜上所述，通過調(diào)整ωn的值，我們可以保持 ζ 在最優(yōu)（0.5）的基礎上，進一步優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)響應特性，實現(xiàn)更快的響應速度和更高的穩(wěn)定性。

2 硬件實驗教學改革

河南工學院斥資逾140萬元，成功構(gòu)建了依托高性能模塊化虛擬儀器的自動控制原理實驗教學實驗室。該實驗室的核心在于NI ELVIS硬件平臺與LabVIEW軟件環(huán)境的深度集成，這一組合為自動控制原理課程的實驗教學革新奠定了堅實的物質(zhì)基礎。其獨特優(yōu)勢在于，NI ELVIS不僅集成了多樣化的標準儀器功能，還高度兼容LabVIEW軟件，師生可以根據(jù)教學需求，靈活開發(fā)定制化的實驗項目。更重要的是，這種軟硬件協(xié)同工作的模式，為學生創(chuàng)造了一個極具靈活性和擴展性的實驗探索空間。學生不僅能夠利用現(xiàn)有資源完成基礎實驗，還能在LabVIEW平臺上發(fā)揮創(chuàng)意，設計并實施更為復雜、前沿的實驗方案，從而極大地促進了理論知識與實踐能力的深度融合，為培養(yǎng)創(chuàng)新型工程技術(shù)人才提供了有力支撐。

以典型的二階系統(tǒng)穩(wěn)定性分析為例，深入探討實驗課程教學的改革創(chuàng)新，旨在通過實踐加深理論知識的理解，并促進學生跨學科思維的發(fā)展。

2.1 實驗設計

在二階系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的實驗中，首先強調(diào)的是實驗設計與理論模型的緊密結(jié)合。學生需依據(jù)實驗指導書中提供的二階系統(tǒng)模擬電路圖，深入理解其電路原理與動態(tài)特性。此過程鼓勵學生探索不同的接線方案，只要能夠準確再現(xiàn)理論電路的功能即可，這不僅提高了學生的電路分析能力，也讓他們在實踐中體會到自控原理與數(shù)學、物理等基礎課程之間的緊密聯(lián)系，促進了跨學科知識的融合與應用。

2.2 實物連線

實驗課程的改革聚焦于實踐操作的深度與廣度，旨在通過親手搭建控制系統(tǒng)模擬電路的過程，學生結(jié)合電路模擬圖進行實物連線，還有助于學生在腦海中建立起更加清晰、直觀的電路模型，通過親手連線，學生能夠?qū)⒊橄蟮碾娐穲D轉(zhuǎn)化為具體的物理實體，這一轉(zhuǎn)化過程極大地促進了理論知識與實踐操作的融合。

2.3 軟件設置

采樣率類型選定為“單次采樣”，此設置有助于捕捉系統(tǒng)在特定時刻的瞬態(tài)響應，減少數(shù)據(jù)冗余，提高分析效率。采樣率設置為1K，這一數(shù)值的選定基于實驗需求與系統(tǒng)特性，旨在平衡數(shù)據(jù)精度與采集速度，確保能夠準確反映系統(tǒng)動態(tài)變化。設置采樣長度為4K，該長度的選擇考慮了實驗數(shù)據(jù)的完整性與處理效率，既能滿足分析需求，又避免了不必要的資源消耗。在信號源配置方面，將信號幅值設定為1。最后，點亮“信號輸出”按鈕，啟動信號源向系統(tǒng)發(fā)送階躍信號，觸發(fā)實驗過程。圖3為實驗平臺軟件設置界面。

2.4 階躍響應分析

實驗教學的創(chuàng)新聚焦于學生自主探究與系統(tǒng)性能深度理解。學生首先通過虛擬儀器實驗箱構(gòu)建控制系統(tǒng)的硬件模型，隨后在實驗軟件中精準配置參數(shù)并啟動實驗，實時觀測由NI ELVIS硬件電路板輸出的階躍響應波形。此過程中，若實驗結(jié)果未能符合預期標準，學生需主動調(diào)整電路配置或優(yōu)化參數(shù)設置，并反復迭代實驗直至獲得滿意結(jié)果。

圖4為NI ELVIS硬件電路板輸出的階躍響應波形，（a）為R=10K響應曲線，（b）為R=49.9K響應曲線。通過波形分析系統(tǒng)的性能，可以直觀地感受和理解系統(tǒng)的“穩(wěn)定性”、“快速性”及“準確性”。學生在掌握基礎實驗后，可以自由探索，通過調(diào)整數(shù)據(jù)獲得不同圖像，并從各種曲線分析中深入理解系統(tǒng)性能，同時，圖像分析有助于更好地闡釋和應用理論知識。

3 實驗教學實施成效

長期以來，實驗課程的評價體系主要依賴于教師的考勤記錄與實驗報告的審閱，這種傳統(tǒng)模式在驗證性實驗中尤為顯著，其結(jié)果單一且易于預測，不料卻為部分學生提供了投機取巧的空間。一些“策略性學習者”敏銳地捕捉到這一制度性缺陷，導致了一種現(xiàn)象：課堂出勤率雖居高不下，但部分學生在實驗環(huán)節(jié)中卻扮演起了“隱形人”的角色，僅僅走個過場，課后則通過復制粘貼他人的實驗成果或報告，輕松獲取與那些真正投入實驗、獨立思考的學生相近的分數(shù)。顯然，這種考核方式無法全面、公正地衡量每位學生的實驗能力與學習態(tài)度。

為了破解這一困境，我們實施了實驗考核體系的全面革新，旨在構(gòu)建一個多維度、立體化的評價體系，新體系不僅保留了實驗操作與實驗報告的核心地位，分別賦予其35%和30%的權(quán)重，以直接反映學生的實踐技能與總結(jié)能力；還創(chuàng)新性地引入了實驗預習（20%）作為前置評估環(huán)節(jié)，強調(diào)預習對于提升實驗效率與理解深度的重要性。此外，特別增設了附加成績（15%），這一部分涵蓋了實驗過程的即時反饋、同學間的合作表現(xiàn)，以及實驗后的答辯交流等多元化指標，旨在全面捕捉學生在實驗全周期中的學習態(tài)度、團隊協(xié)作與批判性思維能力。

通過這一改革，我們期望能夠更加精準地刻畫每位學生的實驗學習軌跡，避免“一刀切”的評價方式所帶來的不公平現(xiàn)象。

圖5為歷年自動化專業(yè)4組學生實驗成績對比分析結(jié)果，數(shù)據(jù)清晰地展示了改革后學生成績的分布變化，不僅整體成績水平有所提升，更重要的是，成績分布更加合理，有效區(qū)分了不同學習態(tài)度和努力程度的學生，為教學質(zhì)量的持續(xù)改進提供了有力依據(jù)。

4 結(jié)語

將MATLAB語言和NI ELVIS硬件平臺應用于自動控制原理實驗教學中，跨越了MATLAB語言、NI ELVIS硬件平臺與自動控制原理課程之間的界限，還為學生打開了一扇通往知識深度與廣度的新大門。這種軟硬件結(jié)合的教學模式的變革，激發(fā)了學生對自控原理課程的興趣與熱情，使得原本難以捉摸的理論概念變得觸手可及。學生不再滿足于書本上的知識，而是渴望通過編程和實驗去探索更多的未知領(lǐng)域，這種積極的學習態(tài)度，無疑將為他們未來的學術(shù)研究和職業(yè)生涯奠定堅實的基礎。

基金項目：河南工學院教育教學改革研究與實踐項目“基于軟硬件相結(jié)合的《自動控制原理綜合實驗》教學研究與改革”（項目編號：DQXY-2024005），河南工學院教育教學改革研究與實踐項目（項目編號：DQXY-2024002）。

參考文獻：

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[5]張星紅，王汝鋒，趙志國.基于MATLAB軟件和NI ELVIS平臺的自動控制原理課程教學研究與改革[J].科技資訊，2020，18（15）：15-16.