“自動控制原理”實驗教學改革

肖理慶，李 巍

(徐州工程學院信電工程學院，江蘇 徐州 221111)

“自動控制原理”是電氣工程及其自動化專業一門專業基礎課，在專業課程體系中占有極其重要的地位[1]。“自動控制原理”主要內容包括:控制系統的數學模型、控制系統的時域分析法、根軌跡法、頻率法、控制系統的校正、非線性系統的分析、采樣控制系統的分析與設計等。由于課程涉及的系統分析與設計方法復雜，因此學生普遍反映該課程比較難學[2]。

本院作為應用型本科院校，實驗教學環節顯得尤為重要。為了幫助學生正確理解課堂教學中所闡述的“自動控制原理”的重要概念、原理與方法，培養并提高學生科學實驗能力、創新能力以及實踐應用能力，課題小組從實驗方法和實驗內容兩方面對“自動控制原理”實驗教學環節進行了研究與改革，并取得了良好的教學效果。

1 實驗方法研究

1.1 自動控制原理實驗箱

目前在國內各個高校，“自動控制原理”實驗教學方法不盡相同。有的學校強調工程及物理概念，通過實例講解并借助于Matlab仿真，將工程的分析、設計方法滲入實驗教學中[3];也有學校采用“自動控制原理”實驗箱與Matlab和EWB仿真相結合的方法[4];還有學校在“自動控制原理”實驗教學中，主要以Matlab仿真為主，要求學生掌握Simulink在控制系統建模及仿真中的應用[5]。本課題小組立足于我校屬應用型本科院校這一特點，充分利用學院現有資源，提出“自動控制原理”實驗箱、自制虛擬實驗系統、Simulink仿真與Matlab編程相結合的實驗方法，現以“二階系統階躍響應”為例，按在實際實驗教學中先后順序詳細闡述。

我院所使用的“自動控制原理實驗箱”包含八個實驗模塊、電源模塊、AD/DA輸入輸出模塊、變容箱模塊和變阻箱模塊等。實驗箱采用DA/AD卡通過USB口與計算機連接實現信號源信號的輸出以及系統響應信號的采集，采集后的信號通過計算機顯示屏顯示。實驗箱支持典型環節及其階躍響應、二階系統階躍響應、控制系統的穩定性分析、系統頻率特性測量、連續系統串聯校正、數字PID控制和系統根軌跡特性測量實驗等。

實驗教學中，要求學生準確接線，完成實驗指導書中的實驗內容，記錄實驗數據及實驗曲線，并根據實驗結果認真回答實驗指導書中的思考題。本環節主要要求學生進一步了解和掌握“自動控制原理”的重要概念、原理和方法，學習系統模擬電路的構成和測試技術，提高應用計算機的能力和水平。

1.2 自制虛擬實驗系統

專業實驗室每臺計算機均安裝了課題小組利用Matlab圖形用戶界面設計功能自制的虛擬實驗系統。本系統包含了“自動控制原理實驗箱”所有實驗，學生在實驗教學中可以利用此虛擬實驗系統，靈活改變實驗參數，并根據實驗結果驗證相關結論。本環節主要為了克服實驗箱單元電路不能靈活組合的缺點，要求學生把主要精力集中在系統特性的研究上。

1.3 Simulink 仿真

在Matlab中新建一個MODEL，從Simulink對應模塊庫中找出所需的仿真模塊，根據計算結果修改模塊參數，正確連接各個模塊，點擊開始按鈕，觀察并記錄實驗結果，如圖1所示。本環節主要要求學生掌握Simulink在控制系統建模及仿真中的應用。

圖1 Matlab Simulink模塊系統結構圖

1.4 Matlab 編程

教師在實驗教學中給學生提供部分源程序，要求學生獨立完成剩余部分并觀察程序運行結果。本環節目的是使學生掌握利用Matlab編程對控制系統進行簡單分析與設計的能力。

2 實驗內容改革

我院2008-2009學年“自動控制原理”教學大綱中，實驗教學總共16學時，實驗項目如表1所示。

表1 “自動控制原理”驗證型實驗項目

其中，“典型環節及其階躍響應”要求學生掌握一階系統階躍響應曲線的求取方法，加強對系統瞬態響應過程的認識;“二階系統階躍響應”要求學生掌握二階系統階躍響應曲線的求取方法，掌握二階系統階躍響應各項性能指標的計算方法;“控制系統的穩定性分析”要求學生掌握控制系統時域穩定性分析方法;“系統根軌跡特性測量”要求學生掌握由根軌跡判斷系統穩定性的方法;“系統頻率特性測量”要求學生從頻域分析系統穩定性;“連續系統串聯校正”要求學生掌握串聯校正的方法。

由表1可知，開設的實驗項目主要為驗證性實驗，缺乏設計性實驗、綜合性實驗以及專業拓展實驗。為了鼓勵學生自主實驗，培養并提高學生科學實驗能力、創新能力以及實踐應用能力，提高實驗教學效果，我們更新了實驗項目，如表2所示。

表2 “自動控制原理”提高型實驗項目

這里，“控制系統的穩定性分析”為學生自主設計性實驗，由教師給定實驗目的(判斷某控制系統是否穩定)和實驗條件，學生自行設計實驗方案(既可以通過時域、頻域分析，也可以通過繪制根軌跡曲線)，選擇實驗器材，制定操作程序。

學生自主設計性實驗可使學生處于主動學習狀態。學生通過自己設計實驗去學習、認識和探索實驗內容，從而使實驗教學真正成為學生學習知識的基本方法和有效途徑，同時有利于培養學生科學實驗能力、獨立解決實際問題能力以及創新能力。

“開閉環直流調速控制系統”為課題小組充分利用學院資源，針對電氣工程及其自動化專業學生開設的專業拓展實驗。目前，我院配有YL-209C型電機電子與交直流調速實驗裝置15臺，要求學生根據圖2所示實驗連線圖完成實驗。

圖2 實驗連線圖

該實驗可以使學生理解開閉環直流調速系統的結構特點與工作原理、掌握開閉環直流調速系統的調試、性能分析和故障排除，并完成開閉環直流調速系統機械特性的測定。由于本實驗連線復雜且易出錯，為了防止設備損壞，教師需在實驗開始前強調如何正確連線。

3 結語

為了培養并提高學生科學實驗能力、創新能力以及實踐應用能力，課題小組從實驗方法與實驗內容兩方面對“自動控制原理”實驗教學環節進行了改革。在實驗方法方面，采用了“自動控制原理”實驗箱、自制虛擬實驗系統、Simulink仿真與Matlab編程相結合的實驗方法。在實驗內容方面，充實并更新了學生自主設計性實驗“控制系統的穩定性分析”、專業拓展實驗“開閉環直流調速控制系統”與綜合性實驗“PID控制器參數整定”。教學實踐驗證了改革與研究的有效性，提高了學生主動學習“自動控制原理”的積極性。

[1]沈輝，張湘平，張明.采用思維導圖進行“自動控制原理”的研討式教學[J].南京:電氣電子教學學報，2012，34(1):93-95

[2]鄢圣茂，宋立忠，王潔.問題鏈式教學法在“自動控制原理”中的應用[J].南京:電氣電子教學學報，2012，34(1):110-112

[3]段納，高慶爭.自動控制原理教學中的問題及對策探討[J].曲阜:曲阜師范大學學報，2011，37(2):7-10

[4]李玉娜，祁偉.自動控制原理課程實驗的幾種方法[J].北京:中國教育技術裝備，2010，27:109-111

[5]結碩，韓光勝.Matlab在自動控制原理實驗中的應用[J].北京:實驗技術與管理，2012，29(2):95-97