“自動控制原理”實驗教學模式探討

摘要：通過對“自動控制原理”實驗教學改革的初步探索，對實驗教學模式進行了探討，分析了幾種常見實驗方式的優缺點，提出了物理實驗與虛擬仿真實驗相結合的實驗教學模式，可以更有效地提高學生的工程實踐能力和創新能力，并提出了自動控制原理虛擬實驗系統的研究方向。

關鍵詞：自動控制原理；實驗教學模式；虛擬實驗

作者簡介：任琦梅（1978-），女，河南平頂山人，河南城建學院電氣與信息工程學院，講師；董燕飛（1976-），女，河南平頂山人，河南城建學院電氣與信息工程學院，副教授。（河南 平頂山 467036）

基金項目：本文系河南城建學院2013年度科學研究基金項目（項目編號：2013JZD007）的研究成果。

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）35-0139-02

“自動控制原理”是自動化及相關專業必修的一門重要的專業基礎課，是一門理論性較強的工程科學，概念抽象，內容豐富，涉及知識面廣。實驗教學是自動控制原理教學的重要組成部分，通過實驗可以使學生加深對理論知識的理解，并且初步將理論知識應用于工程實際。如何有效地組織實驗教學，提高學生的工程應用能力、創新能力和綜合素質，是實驗教學改革中重要的研究內容。筆者結合幾年來自控原理實驗教學的經驗，對常見的一些實驗方式進行分析，對實驗教學模式進行探討。

一、常見的實驗方式

1.采用信號發生器、模擬實驗箱和慢掃描示波器構成實驗平臺

這種實驗方式是在實驗箱上用運算放大器、電阻、電容等元件搭建電路，模擬典型環節或系統，由函數信號發生器提供階躍、脈沖、正弦波等信號作為環節或系統的輸入信號，在慢掃描示波器上把響應曲線顯示出來。

（1）優點：學生在實驗過程中通過搭建電路可以對控制系統的構成有一個感性的認識；進一步練習和熟悉信號發生器、慢掃描示波器等儀器的使用，提高學生的動手能力。

（2）缺點：因為系統的階躍響應過渡過程很快，普通示波器無法顯示，因此需要使用慢掃描示波器，增加了實驗室建設的成本；實驗的主要目的是對控制原理中抽象的理論知識有更深的理解，但學生在實驗過程中要花大量的時間來連接線路和調試儀器，容易忽視對實驗結果的分析；實驗中經常會受到元件參數不穩定的影響和設備條件的限制，使實驗值和理論值不相吻合或誤差過大，導致學生產生錯誤的理解；某些內容無法實驗，或實驗結果不直觀、不準確：如根軌跡部分無法進行實驗；頻率特性部分Bode圖需根據示波器得到的李薩育圖形進行計算描點繪制，Nyquist圖需根據測出的數據描點繪制。

2.采用模擬實驗箱、AD/DA轉換卡、計算機構成實驗平臺

這種實驗方式也是在模擬實驗箱上搭建電路來模擬典型環節或系統，模擬實驗箱和計算機通過A/D、D/A轉換卡和數據線進行通信，由計算機產生各種典型輸入信號，經過A/D轉換后送給模擬電路，輸出信號經過D/A轉換后送到計算機中進行顯示。

如典型二階系統的階躍響應實驗，模擬電路圖如圖1所示：

（1）優點：和第一種實驗方式一樣，學生在實驗過程中通過搭建電路可以對控制系統的構成有一個感性的認識；計算機代替了函數信號發生器和慢掃描示波器的作用，降低了實驗室建設成本；實驗過程中無需過多調試儀器，實驗過程變得簡單，節省了實驗時間，使學生可以把重點放在對實驗結果的分析上；計算機強大的處理功能使實驗結果更加準確直觀，測量方便：如階躍響應曲線上超調量和調整時間可以直接讀數，頻率特性實驗中可以直接顯示Bode圖和Nyquist圖。

（2）缺點：仍然沒有解決根軌跡部分無法做實驗的問題；做系統校正實驗或高階系統實驗時，實驗線路連接麻煩，出錯時不容易檢查，且修改系統參數不方便；實驗結果的準確性和實驗項目的設置對實驗軟件有依賴性，不能很靈活地自行設置實驗內容。

3.利用MATLAB軟件進行仿真實驗

這種實驗方式是利用MATLAB和SIMULINK軟件強大的仿真能力，通過軟件編程的方法在計算機上實現環節或系統的構建、參數的修改、輸入信號的產生和實驗結果的顯示。

也以典型二階系統的階躍響應實驗為例，在MATLAB軟件命令窗口輸入以下程序：

wn=1；t=[0：0.1：15]；

for z=[0：0.1：1，1.5，2]；

num=wn^2；

den=[1 2*z*wn wn^2]；

step（num，den，t）

hold on

end

hold off

即可得到圖2所示相應曲線，圖中自動以不同顏色分別顯示阻尼比為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.5、2時的階躍響應曲線，對比分析性能非常方便。

也可以在SIMULINK中建立二階系統的模型，類似系統框圖的形式，在輸入端接階躍信號模塊，輸出端接示波器模塊，仿真后也可得到系統的響應曲線。

（1）優點：MATLAB軟件具有強大的數據處理和圖形處理的能力，且編程方法簡單易懂，實驗結果更加準確直觀；對根軌跡等部分在常規實驗平臺上無法進行的內容可以很容易地進行實驗；系統模型用軟件實現使得系統結構和參數的修改非常容易；SIMULINK中結構圖的模型表示方法與理論教學中一致，加深學生對理論知識的理解；可以自行設計實驗項目和實驗內容，很方便地進行設計性實驗。

（2）缺點：直接用軟件編程進行實驗，使學生缺乏對實際系統的感性認識。“控制系統仿真”課程往往在“自動控制原理”課程之后開設，學生在實驗時對MATLAB語言和環境不熟悉，可能需要花大量時間在MATLAB編程上，而忽略了對實驗結果的分析。

4.利用研發的虛擬實驗系統進行實驗

基于一些仿真功能強大且交互性好的軟件（如MATLAB、EWB、LabVIEW等），根據實驗項目和實驗內容，研發界面友好的虛擬實驗系統。學生在研發的虛擬實驗系統上進行仿真實驗。

同樣以典型二階系統的階躍響應為例，圖3是筆者研發的虛擬實驗系統實驗界面：

實驗界面上顯示了典型二階系統的模擬電路圖、系統框圖和傳遞函數，在輸入參數面板相應位置輸入電阻R1和電容C的值，點擊控制面板上的“繪制出曲線”即可在左側示波器位置顯示出響應曲線，系統的相關參數和性能指標同步顯示出來。

（1）優點：實驗過程簡單，學生無需進行編程，根據提示搭建電路或改變參數即可得到實驗結果，著重對實驗結果的分析，提高了實驗效率；實驗結果準確直觀，響應曲線、根軌跡、Bode圖等清晰明了，便于學生對比分析；增設綜合性、設計性實驗，實驗項目更加豐富，學生也可自行設計實驗內容，提高學生的創新能力；實驗形式更靈活、更開放，突破了時間、空間和實驗條件的限制，只要有計算機即可進行實驗，學生可自主選擇時間和地點。

（2）缺點：學生通過虛擬環境進行實驗，不接觸實際器件和搭建電路，容易缺乏對控制系統的感性認識；仿真結果在理想情況下進行，實際系統的故障和異常運行情況不能完全反映，學生缺少對實際問題的分析。

二、結論

通過對上述實驗方式的比較，傳統的模擬實驗教學模式可以增加學生對控制系統的感性認識，提高學生的動手能力和分析問題、解決問題的能力；虛擬仿真實驗教學模式靈活方便，可以拓展學生的思維，進行更復雜的系統分析，并增加設計性實驗項目，提高學生的創新能力。將虛擬仿真實驗和物理實驗結合起來更有利于提高學生自動控制理論分析設計和計算機仿真與系統調試的綜合能力，提高學生的工程實踐應用能力。

綜合實驗成本和實驗效果的考慮，多數高校現在采用的是第2種和第3種實驗方式配合使用，對簡單的環節和系統的階躍響應實驗用第二種實驗平臺，使學生對實際系統有一個感性的認識，對復雜的高階系統、根軌跡、系統校正等實驗用第三種實驗方法，使學生對抽象的理論知識有更深的理解。

從虛擬實驗的角度來說，第4種方法要優于第3種方法，可以使不熟悉仿真軟件的學生從相對復雜的編程過程中解脫出來，把實驗的重心放到系統的分析和設計上。部分高校已經進行了自動控制原理虛擬實驗的研究并開發了一些虛擬實驗教學系統，但其規范性、通用性和開放性有待改進。對此進行深入研究，設計出界面友好、操作簡便、實驗項目合理豐富、通用性強的自動控制原理虛擬實驗系統，不僅能有效提高自動控制原理課程的實驗教學效果，也可以為許多電氣電子類課程開設實驗提供新的思路。

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（責任編輯：王祝萍）