自動控制原理課程實驗教學方法探討與實踐

【摘 要】實驗教學在自動控制原理課程中占有非常重要的地位和作用，是傳授基本設計方法、培養解決實際工程問題能力的基礎。本文主要從改進傳統實驗項目、模擬實驗和仿真相結合、開放式管理實驗室等方面探討自動控制原理課程實驗教學的改革，通過實踐證明可以提高學生分析解決問題的能力，很好地提高教學質量。

【關鍵詞】自動控制原理 實驗教學 實驗項目 教學改革

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2014）27-0080-01

自動控制原理課程是各大專院校工科專業的重要專業基礎課，具有學時較多、數學理論基礎強等特點。以長春工程學院為例，包括自動化、電氣工程及其自動化、電子信息、發電、能源動力、建筑電氣等多個專業都將自動控制原理作為專業基礎課。實驗教學是非常必要的環節，是學生理論聯系工程實際的重要手段。傳統的實驗項目及其教學方法大多時候是對基本理論的驗證和復現，無法滿足學生的工程實踐能力。筆者從實驗項目、實驗教學方法等方面闡述自動控制原理實驗教學的改革與實踐，提高學生分析問題及解決問題的能力，并能充分調動教師和學生的積極性，全面提高教學質量。

一 綜合設計性實驗的開發

筆者所在學校電氣工程及其自動化專業自動控制原理課程實驗項目與學時安排如下表所示。自動控制原理課程注重理論與實踐相結合，而筆者所授課班級學生的實驗課現狀基本是驗證性實驗，學生按實驗指導書的要求連好電路，通過虛擬儀器記錄波形，而對系統的設計過程體會不深。

針對以上情況，課題組成員在教學過程中根據積累的經驗和專業特點，將二階控制系統設計改為綜合設計性實驗。將原有指導書中實驗內容完全進行了改革，要求設計一個二階系統，在單位階躍信號作用下超調量不超過25%，調節時間不超過2秒，峰值時間、上升時間及延遲時間都不超過1秒，任選其中一個組合分析。設計出二階系統的結構圖、求出傳遞函數、計算參數值及各項性能指標。設計出模擬電路圖，按照電路圖將各個模擬環節連接起來得到相應的模擬系統。應用MATLAB軟件仿真，分析系統所設計的二階控制系統的穩定性。這樣可以把剛剛學過的二階系統動態性能分析、穩定性分析等知識綜合在一起。考慮到課程總學時有限，沒有增加實驗學時，提前一周給學生下發任務書，在課后先進行設計得到模擬電路圖，并進行仿真驗證。然后，利用計劃學時在實驗室搭建實際電路圖。通過綜合設計性實驗的開發，讓學生將理論與實際相結合，并將所學知識綜合靈活運用，收到了一定的效果，提高了教學質量。

二 MATLAB仿真和模擬實驗相結合

在自動控制等領域中，MATLAB具有非常重要的地位，利用MATLAB可視化編程能力的圖形用戶界面、Simulink仿真功能以及繪圖功能，可以將自動控制原理模擬實驗與MATLAB相結合，對上表所示的實驗項目分別進行仿真驗證。由于學時有限，仿真部分可留給學生課后完成，但要將仿真結果反應在實驗報告里，并與示波器所觀察到的波形進行對比。其中仿真實驗的完成不會限制學生采用哪種具體方式，善于編程的學生可以采用M文件編寫仿真程序得到結論，而采用Simulink搭建仿真模塊也會讓實驗更加直觀，用戶界面良好，增加學生的興趣。由MATLAB得到的階躍響應及性能指標比用模擬電路示波器得到的結論更加準確，而且便于分析。通過幾個學期的教學驗證，明顯提高了實驗效果和效率。筆者所在自動控制原理課題組在教學過程中不斷總結經驗，發現MATLAB虛擬實驗僅限于軟件模擬，同時需要學生對MATLAB有一定的熟悉和了解，這對于低年級的學生來說比較困難。考慮到LabVIEW的數據運算及處理功能，目前課題組正在研究將MATLAB和LabVIEW相結合，更好地提高實驗教學質量。

三 實驗室開放式管理

為了提高自動控制原理實驗教學的效果，筆者所在學校通過招標方式新引進二十四組自動控制原理實驗設備，包括EL-AT-III型自動控制系統實驗箱和計算機，計算機安裝有MATLAB軟件。實驗室可以容納48個學生同時進行實驗，實驗室有專門教師管理，教學和實驗室教師都進行了專門培訓。同時實驗室實行每周開放管理2天，以解決由于學時不夠引起的倉促教學情況，也給沒有電腦的學生提供在實驗室仿真的機會。課題組教師也會不定期的到實驗室對學生進行輔導和答疑，針對存在的問題進行教學方法改進。通過實踐教學證明，實驗室開放式管理方法不但增加了學生的學習和實驗興趣，提升了教學質量，也提高了學生的自主創新能力。

四 結束語

針對自動控制原理課程傳統實驗教學方法中存在的問題，本文從開發綜合設計性實驗、模擬實驗和MATLAB仿真相結合、實驗室進行開放式管理等方面探討了自動控制原理課程實驗教學的改革，通過實踐證明可以提高學生分析解決問題的能力，很好地提高教學質量。

參考文獻

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[2]劉艷、尤源.《自動控制原理》課虛擬實驗教學的改革與實踐[J].裝備制造技術，2010（4）

[3]王娟.自動控制原理課程實驗教學探索[J].中國教育技術裝備，2011（36）

〔責任編輯：林勁〕