軍隊院校自動控制類課程課堂設(shè)計方法

劉淑波，張 園，初俊博，高 松

(海軍大連艦艇學(xué)院裝備自動化系，遼寧大連 116018)

自動控制類課程包括:“自動控制原理”、“自動控制元件”、“計算機控制”、“數(shù)字控制系統(tǒng)”(包含單片機和PLC)和“智能控制導(dǎo)論”等課程。

課堂設(shè)計就是運用系統(tǒng)論的觀點和方法，按照教學(xué)規(guī)律和教學(xué)對象的特點，確定實現(xiàn)教學(xué)目標的方法和步驟，為優(yōu)化課堂教學(xué)效果而制定實施方案的整個過程［1］。采用得當(dāng)?shù)恼n堂設(shè)計方法可以提高教學(xué)質(zhì)量，優(yōu)化教學(xué)效果。

現(xiàn)有的自動控制類的課堂設(shè)計方法大多是針對某一門課程的，很少是針對某一類課程都可適用的。筆者針對所在教研室擔(dān)任的自動控制類課程，從整體性教學(xué)角度探討了在自動控制類課程教學(xué)過程中運用的課堂設(shè)計方法。

1 軍事隨動系統(tǒng)

根據(jù)軍校教育的要求，自動控制類課程的被控對象應(yīng)當(dāng)盡量選用軍事隨動系統(tǒng)。筆者選擇了火箭深彈發(fā)射炮作為各門課程統(tǒng)一的被控對象。

1.1 火箭深彈發(fā)射炮隨動系統(tǒng)貫穿一門課程

我們以“自動控制元件”這門課程的課堂設(shè)計方法為例，在介紹各控制元件之前，先給出火箭深彈發(fā)射炮隨動系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。學(xué)生可以逐步建立并深化系統(tǒng)的觀點，明確每種控制元件只是整個隨動控制系統(tǒng)的一部分。在講授各個控制元件，如:自整角機、放大器、伺服電動機和測速發(fā)電機等時，明確每個元件在火箭深彈發(fā)射炮隨動系統(tǒng)中的位置、作用以及每個元件的輸入輸出信號和傳遞函數(shù)。這樣不同的控制元件在同一個火箭深彈發(fā)射炮隨動系統(tǒng)中讓學(xué)生不斷強化，他們對相關(guān)的概念印象會很深刻，同時也為后續(xù)自動控制類的其它課程學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

圖1 火箭深彈發(fā)射炮隨動系統(tǒng)原理圖

1.2 火箭深彈發(fā)射炮隨動系統(tǒng)貫穿多門課程

讓學(xué)生運用系統(tǒng)的觀點分析問題、解決問題是自動控制類課程的共同培養(yǎng)目標。因此，自動控制類課程課堂設(shè)計應(yīng)該從控制系統(tǒng)的系統(tǒng)性入手，用火箭深彈發(fā)射炮隨動系統(tǒng)將自動控制類各門課程在學(xué)生腦中連接成一個整體，加深學(xué)生理解與掌握。

上面我們討論了火箭深彈發(fā)射炮隨動系統(tǒng)貫穿于“自動控制元件”課程教學(xué)。同樣該隨動系統(tǒng)還可以貫穿于自動控制類的其他課程教學(xué)中。例如，將火箭深彈發(fā)射炮隨動系統(tǒng)具體的參數(shù)引入就可以在“自動控制原理”課程中設(shè)計相應(yīng)的該隨動系統(tǒng)的建模、時域、頻域分析與校正等內(nèi)容;在“數(shù)字控制系統(tǒng)”課程中，涉及到以火箭深彈發(fā)射炮隨動系統(tǒng)為主的數(shù)字控制系統(tǒng)的組成、分類、發(fā)展概況、單片機控制及可編程序控制器(PLC)控制，和該隨動控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟等內(nèi)容;在“計算機控制”課程中，涉及到火箭深彈發(fā)射炮隨動系統(tǒng)的基本組成及工作原理、數(shù)字式PID控制、離散域設(shè)計、狀態(tài)空間設(shè)計以及最小拍控制等內(nèi)容;在“智能控制導(dǎo)論”課程中，涉及到火箭深彈發(fā)射炮隨動系統(tǒng)的Fuzzy控制設(shè)計及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制內(nèi)容及實驗;在“現(xiàn)代控制理論”課程中，會介紹設(shè)計火箭深彈發(fā)射炮隨動系統(tǒng)能控性、能觀性、穩(wěn)定性及極點配置等相應(yīng)的內(nèi)容及實驗。

2 仿真教學(xué)貫穿全課程

仿真教學(xué)可以將概念抽象，難于理解，對學(xué)生的抽象思維和邏輯思維要求高的內(nèi)容變得形象化，仿真教學(xué)可以起到任何語言描述和數(shù)學(xué)推導(dǎo)難以達到的教學(xué)效果。

我們把自動控制類的課程分成兩組:一組是“數(shù)字控制系統(tǒng)”(包含單片機和PLC)，另外一組是“自動控制原理”、“自動控制元件”、“計算機控制”和“智能控制導(dǎo)論”。第一組課程的仿真教學(xué)以“單片機”為例介紹，第二組課程的仿真教學(xué)以“自動控制原理”為例介紹。

2.1 仿真教學(xué)應(yīng)用在“單片機”課程教學(xué)中

Proteus是目前最好的模擬單片機外圍器件的工具，它可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU及其外圍電路，如 LCD、RAM、ROM、鍵盤、馬達、LED、A/D、D/A ，部分 SPI和 IIC器件等。Proteus與其它單片機仿真軟件不同的是其仿真功能強大。它不僅能仿真單片機CPU的工作情況，還能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其它電路的各種工作情況［2］。

1)Proteus完成原理圖的設(shè)計

用Proteus仿真時，所有的元件都已經(jīng)做好放在元件庫里，設(shè)計原理圖的時候，只需要把相應(yīng)的元件選定拖出來連上線即可。這樣在課堂教學(xué)過程中配合多媒體，可以節(jié)約大量的畫圖時間，而且比手工畫的更清晰準確，可以隨時根據(jù)需要進行改動，克服了傳統(tǒng)教學(xué)中插入圖片不能改動的問題。

2)Proteus方便實踐教學(xué)

由于 Proteus不僅具備原理圖和 PCB設(shè)計能力，而且還可以與Keil C整合構(gòu)建完整的實驗開發(fā)平臺，讓學(xué)生進行豐富的實踐。學(xué)生首先在仿真軟件中自己搭建電路，編寫程序，將整個系統(tǒng)在仿真軟件環(huán)境中實現(xiàn)，并調(diào)試通過，然后再利用實驗箱去下載程序，觀察硬件的運行結(jié)果并和軟件環(huán)境的仿真結(jié)果做比較。這樣做的好處是:仿真部分可以在自己的電腦上完成，而硬件的運行在實驗室完成，這樣能夠大大縮短實驗的時間，提高效率，同時下課后，程序的改進又可以回到寢室在電腦上進行。學(xué)生練習(xí)的機會多了，可以充分地把課余時間利用起來。此外，還有一個直接的好處就是學(xué)生做實驗時，已不再是簡單的進行驗證，而是一個實驗的設(shè)計者，或者是一個產(chǎn)品或者小系統(tǒng)的設(shè)計者。這種流程非常好地培養(yǎng)了學(xué)生的工程素養(yǎng)，提高了學(xué)生讀圖和設(shè)計圖的能力。使用Proteus進行實踐教學(xué)既激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又鍛煉了學(xué)生的動手能力，避免了傳統(tǒng)教學(xué)中高分低能現(xiàn)象的出現(xiàn)。

筆者指導(dǎo)的本科生畢業(yè)設(shè)計“基于MPX4115的數(shù)字氣壓計設(shè)計”以及“溫控報警系統(tǒng)的設(shè)計”，就是用Proteus仿真完成的。

2.2 仿真教學(xué)應(yīng)用在“自動控制原理”課程教學(xué)中

Matlab/Simulink具有強大的仿真功能。用戶根據(jù)自己的需要拖拉相應(yīng)模塊中的元件，構(gòu)建所需要的控制系統(tǒng)，通過一系列參數(shù)設(shè)置即可進行仿真［3］。仿真教學(xué)應(yīng)用在“自動控制原理”課程教學(xué)中，有如下的表現(xiàn)。

(1)時域響應(yīng)法這一章的講授，無論是動態(tài)性能指標的求取，還是穩(wěn)定性的判斷，都可以用仿真方法來完成。例如用 Matlab/simulink搭建閉環(huán)系統(tǒng)的模型，給以典型激勵信號，然后讓學(xué)生自己通過觀察找到所關(guān)注的指標。這樣比起單純用公式講授更形象，更深刻。

(2)頻域法校正這一章中，無論是串聯(lián)超前校正還是串聯(lián)滯后校正，校正的步驟都比較繁瑣，如果應(yīng)用仿真方法的話，能比較方便地看出校正的效果。例如，文獻［4］用 Matlab/simulink搭建校正前后系統(tǒng)框圖，從示波器顯示的曲線可以清楚地從時域角度看滿足性能指標的要求。頻域指標的滿足可以編制Matlab程序，避免了繁瑣的校正過程計算［4］。

(3)此外，仿真教學(xué)同樣可以應(yīng)用于第二組其他課程的教學(xué)中，例如:非線性系統(tǒng)理論與實驗教學(xué)，用仿真方法來演示說明非線性系統(tǒng)的特性及分析非線性控制系統(tǒng)穩(wěn)定性內(nèi)容，根軌跡的繪制，頻域分析等;可以使用Matlab中提供的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制和遺傳算法工具箱來設(shè)計“智能控制導(dǎo)論”這門課程相應(yīng)內(nèi)容的設(shè)計。

3 依托課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計

課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計是對學(xué)生所學(xué)控制理論的一個總結(jié)及應(yīng)用，是學(xué)生綜臺運用所學(xué)的基本理論知識，分析解決實際問題，進行科學(xué)研究、工程設(shè)計的實踐環(huán)節(jié)［5］。

在課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計階段，仍然把自動控制類的課程分成上述兩組。第一組借助于實驗中心提供的人形、能力風(fēng)暴和寶貝車機器人綜合實驗平臺，主要進行單片機應(yīng)用系統(tǒng)擴展方面的題目設(shè)置;第二組借助實驗中心提供的固高公司生產(chǎn)的直線一級倒立擺和二級倒立擺綜合實驗平臺，主要進行經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制、智能控制和先進控制方面的題目設(shè)置。在該階段授課前把相應(yīng)的設(shè)置題目布置給學(xué)生，讓學(xué)生帶著任務(wù)去學(xué)習(xí)，階段性授課結(jié)束后要求學(xué)生以大作業(yè)的形式把相應(yīng)題目的體會，理解以及對前沿的了解交上來，可以按照完成的不同程度作為平時考核的依據(jù)。這樣既培養(yǎng)了學(xué)生查閱資料和自學(xué)能力，又提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，更重要的是避免了畢業(yè)設(shè)計學(xué)生選題的盲目性。

［1］ 何惠英，付蘭芳，付少波.淺談?wù)n堂教學(xué)設(shè)計在電路教學(xué)中的應(yīng)用［J］.山東，科技信息，2009(23):140-140

［2］ 陳少航，李山，苗亮亮，蘇憲龍.基于PROTEUS的單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與仿真［J］.陜西，現(xiàn)代電子技術(shù)，2008(6):43-44

［3］ 王正林，王勝開，陳國順等.MATLAB/SIMULINK與控制系統(tǒng)仿真［M］.北京，電子工業(yè)出版社，2009:49-250

［4］ 劉淑波，張園，初俊博等.頻域法校正實驗的仿真實現(xiàn)［C］.大連，軍隊院校實驗室建設(shè)與發(fā)展學(xué)術(shù)研討會，2010:621-623

［5］ 張繼勇，陳虹，曹衛(wèi).優(yōu)化課程體系，促進教學(xué)改革［J］.北京，中國現(xiàn)代教育裝備，2007(2):35-37.