自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革與實(shí)踐

摘要：《自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)》是一門綜合性的實(shí)踐課程。既要求學(xué)生熟練掌握自控原理的相關(guān)知識(shí)，又要求學(xué)生具有電路、電子技術(shù)等技術(shù)的相關(guān)背景，并且還要掌握仿真軟件的使用。具體的改革實(shí)踐表明：改革措施增強(qiáng)了學(xué)生的積極性，為后續(xù)課程打下良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：課程設(shè)計(jì)仿真改革

《自動(dòng)控制原理》是高等學(xué)校電氣類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程綜合性強(qiáng)、知識(shí)覆蓋面廣，要求學(xué)生具有《工程數(shù)學(xué)》、《電路》等基礎(chǔ)知識(shí)，以及較強(qiáng)的計(jì)算能力。而《自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)》能夠幫助學(xué)生進(jìn)一步鞏固自控基礎(chǔ)知識(shí)，并結(jié)合電路、電子技術(shù)，加強(qiáng)實(shí)踐操作能力。

1 改革意義

隨著科技進(jìn)步，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍已從單純的數(shù)值計(jì)算擴(kuò)展到擴(kuò)展到信息處理領(lǐng)域，內(nèi)容不斷豐富，設(shè)備不斷更新，對(duì)人才的要求也越來越高。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)箱功能單一、易損壞，實(shí)踐理念落后，無法激發(fā)學(xué)生的興趣。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)使學(xué)生的學(xué)習(xí)方法和解決問題的方法得到極大地改進(jìn)。計(jì)算機(jī)最顯著的功能是高速運(yùn)算，使得由于計(jì)算量過大而無法求解的問題具有解決的可能。

將Matlab/Simulink應(yīng)用于課程設(shè)計(jì)中，把大量的推導(dǎo)設(shè)計(jì)與圖形繪制，利用M語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)；同時(shí)利用工具模塊組建模型，進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真運(yùn)行。得到的結(jié)果準(zhǔn)確、形象，學(xué)生容易接受與掌握，使自控課程設(shè)計(jì)改革成為可能。

應(yīng)用Matlab軟件對(duì)課程設(shè)計(jì)改革能夠激發(fā)學(xué)生興趣、開闊他們的思路；培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)解決問題的能力；更好的聯(lián)系理論與實(shí)踐結(jié)果，為進(jìn)一步創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。

2 改革內(nèi)容

2.1 數(shù)字仿真實(shí)踐

分為課堂教學(xué)過程和上機(jī)實(shí)驗(yàn)過程。教學(xué)過程應(yīng)在計(jì)算機(jī)機(jī)房進(jìn)行，教師簡(jiǎn)要介紹Matlab/Simulink使用方法。上機(jī)實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生在老師指導(dǎo)下以Matlab/Simulink為平臺(tái)，解決設(shè)計(jì)題目中的復(fù)雜問題，以此為基礎(chǔ)，得出課程設(shè)計(jì)的理論結(jié)果[1]。

2.2 理論與實(shí)際相結(jié)合，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性

只要進(jìn)行正確的數(shù)字仿真，學(xué)生都能得出準(zhǔn)確的理論結(jié)果。為了更好地理解設(shè)計(jì)內(nèi)容，有必要進(jìn)行模擬電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試。以往的實(shí)驗(yàn)箱雖然不復(fù)雜，但是容易損壞，特別是接插件部分極易松散。因此，現(xiàn)在完全讓學(xué)生自己動(dòng)手，自行設(shè)計(jì)電路圖、焊接電路、調(diào)試電路。教師只需重點(diǎn)指導(dǎo)學(xué)生如何設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易信號(hào)源、各級(jí)運(yùn)算放大器[2]。

加強(qiáng)理論與實(shí)際相結(jié)合，要求既有嚴(yán)密的理論體系，又有生動(dòng)的工程實(shí)例，注重對(duì)基本概念和基本方法的介紹，在理論推導(dǎo)中引出工程的概念，在實(shí)例分析中強(qiáng)化理論概念，加深學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制理論的認(rèn)識(shí)和理解。如在講解PID控制時(shí)，結(jié)合溫度講解PID參數(shù)整定的實(shí)例，將調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)按先比例、后積分、最后微分的程序置于某些經(jīng)驗(yàn)數(shù)值后，再給定位擾動(dòng)，觀測(cè)系統(tǒng)過渡過程曲線，若曲線還不夠理想，則改變調(diào)節(jié)器的δ，Ti，Td的值，進(jìn)行反復(fù)湊試，以尋求最佳的整定參數(shù)，直到控制質(zhì)量復(fù)合要求為止。

在設(shè)計(jì)硬件電路的過程中，要求學(xué)生學(xué)會(huì)使用電路仿真軟件Multisim 7。以往設(shè)計(jì)、分析電路都是靠用筆繪圖在紙上計(jì)算來獲得一個(gè)所需的電路，但往往由于要考慮到各種元器件的參數(shù)加之設(shè)計(jì)思想的不成熟，要費(fèi)很大功夫，常常事倍功半。這是自下而上的設(shè)計(jì)方法。該方法的特點(diǎn)是必須首先關(guān)注并致力于解決系統(tǒng)最底層硬件的可獲得性，以及他們的功能特性方面的諸多細(xì)節(jié)；在整個(gè)逐級(jí)設(shè)計(jì)和測(cè)試過程中，始終必須顧及具體目標(biāo)器件的技術(shù)細(xì)節(jié)。在設(shè)計(jì)過程的任一時(shí)刻，最底層目標(biāo)器件的更換，或某些技術(shù)參數(shù)不滿足總體要求，或缺貨，或由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的變化，臨時(shí)提出降低系統(tǒng)成本，提高運(yùn)行速度等不可預(yù)測(cè)的外部因素，都可能使前面的工作前功盡棄，這是一種低效、低可靠性、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、且成本高昂的設(shè)計(jì)方法。

因此，自上而下的設(shè)計(jì)思想在計(jì)算機(jī)仿真迅速發(fā)展的基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生，或者稱為EDA(Electronic Design Automation)技術(shù)。在EDA工具軟件平臺(tái)上，對(duì)以硬件描述語(yǔ)言為系統(tǒng)邏輯描述手段完成的設(shè)計(jì)文件，自動(dòng)地完成邏輯編譯、邏輯化簡(jiǎn)、邏輯分割、邏輯綜合、結(jié)構(gòu)綜合（布局布線），以及邏輯優(yōu)化和仿真測(cè)試，直到實(shí)現(xiàn)既定功能。

2.3 完善教學(xué)管理

嚴(yán)格執(zhí)行實(shí)驗(yàn)室相關(guān)規(guī)定，讓學(xué)生養(yǎng)成良好的實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，有助于得出更加準(zhǔn)確、客觀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

經(jīng)過一個(gè)周期的教學(xué)后，要進(jìn)行認(rèn)真全面的分析和總結(jié)，探索出全新的、完整的、科學(xué)合理的《自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)》教學(xué)實(shí)踐體系，以及相關(guān)的教學(xué)文檔。

2.4 建立合理的實(shí)踐考核體系

除了學(xué)生上交的實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)報(bào)告外，還增加了學(xué)生的面試環(huán)節(jié)，有助于更加公平、客觀的對(duì)學(xué)生的完成情況進(jìn)行評(píng)定，有助于篩選出各個(gè)層次的學(xué)生，以便老師更好的分析總結(jié)自身的教學(xué)方法、效果，作為進(jìn)一步改進(jìn)、完善的依據(jù)。

3 小結(jié)

以Matlab/Simulink及Multisim平臺(tái)為依托，自己編寫《自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》，使教學(xué)實(shí)踐更有針對(duì)性；讓學(xué)生同時(shí)從理論和實(shí)際操作方面理解設(shè)計(jì)內(nèi)容，能夠加深對(duì)控制理論的理解與掌握，增強(qiáng)了他們解決實(shí)際問題的能力、開拓創(chuàng)新的能力。同其他改革一樣，雖然本課程改革已取得一些成效，但仍需在今后的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中進(jìn)一步探索與改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]田思慶，吳桂云.“自動(dòng)控制原理”課程的教學(xué)研究與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2008，(1):112-114.

[2]唐超穎，姜斌.”自動(dòng)控制原理”課程的探究性教學(xué)實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，(6):91-940.