注重工程應用的自動控制原理實驗教學改革

萬敏+王瑛

摘要：傳統的自動控制原理實驗存在一定的局限，提出加強工程應用背景的實驗教學改革。通過增加演示實驗，重視實驗對象數學模型的建立以及開發使用有工程應用背景的虛擬實驗平臺，可以提高學生的工程實踐能力和創新能力，全面提高學生的專業素質。

關鍵詞：自動控制原理；實驗教學；仿真

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）44-0117-03

《自動控制原理》是高校電類、機械類等專業一門重要的專業基礎理論課，要求學生掌握自動控制系統的分析和設計方法，為設計和調試自動控制系統打下基礎。該課程知識覆蓋面廣、內容多、更新發展快、理論性和應用性都很強，具有一定深度和復雜性[1]。自動化也是一門面向被控對象，解決實際問題的學科。學生既要掌握自動控制理論，還要能將所學到的理論與解決實際問題相結合[2]。所以做好控制實驗是學好這門課程非常重要的一環，學生可通過實驗加深對抽象的理論知識的理解，同時提高學生的動手實踐能力。

一、傳統自動控制原理實驗教學

傳統的自動控制實驗有存在很大的問題，控制的工程應用背景和控制理論的聯系脫節比較嚴重。大部分高校的自動控制原理實驗缺少實際的控制對象，采用的都是模擬電路的控制實驗箱和MATLAB的仿真，通過對傳遞函數的模擬電路實現，或者用MATLAB/SIMULINK仿真，觀察輸出的響應曲線、根軌跡圖、波特圖等，偏重于對控制理論的驗證和數學推導計算。這樣的實驗方式，雖然在培養學生動手能力，加深對課堂學習內容的印象等方面有一定的作用，但也存在局限，那就是學生接觸不到真實的控制對象，無法將控制原理和實際的工程應用結合起來，無法滿足開放性和設計性的實驗教學。

由于對控制的現象沒有直觀表達，學生實驗起來覺得偏理論和抽象，圖表曲線與實際被控對象無法聯系起來，這樣的實驗并沒有很好地起到培養工程實踐能力和創新能力的效果。如何將抽象的沒有任何物理含義的傳遞函數與被控對象的物理概念在學生的頭腦中聯系起來，是自控理論和實驗教學的重要目的。否則面對實際控制任務，依然不知該如何應用所學知識解決實際問題。

二、加強工程應用背景，改革實驗教學

目前的自動控制原理理論教學，也在進行著一系列的改革，由原先的課堂只注重數學公式的分析推導和定理證明，開始注重加強工程應用背景[3]。實驗教學是為了更好地消化和學習理論知識，也要緊隨理論教學，強化自動控制原理的工程應用背景，而不僅僅是模擬電路搭建和MATLAB仿真。

1.增加演示實驗。興趣是學習最好的導師，首先要培養學生對這門實驗課的興趣。控制理論書上有很多被控對象的實例，但對學生來說，被控系統對象比較陌生，比如被控機床等，且更偏重對控制理論的表述，學生們一下子無法將各種數學表達式和圖表與實際控制現象聯系在一起。可將生活和工業生產活動中的各種常見的控制現象拍攝成錄像，在實驗教學時，演示給學生看，告訴學生，控制的現象在生活生產中的廣泛性和重要性。帶學生們參觀控制實驗室的設備實物，讓學生們真切地感受控制的現象，讓控制理論不再僅僅是書本上枯燥的公式推導和抽象的圖表，提高實驗學習的興趣。

2.重視數學模型的建立。數學模型是描述系統內部各物理量（或變量）之間關系的數學表達式，建立一個合理的模型是系統分析和設計的前提[4]。在設計實驗內容時，應注意選取有實際工程應用背景的數學模型。每個實驗的數學模型參數都是有實際物理意義的，但以往的實驗教學，往往忽略了對數學模型的建立和理解。學生在實驗的過程中，只看到了傳遞函數和階躍響應曲線，腦海里卻沒有和實際的控制對象掛鉤，導致實驗的效果只停留在對理論的驗證，對函數的數學計算和模擬電路的搭建層面，而忽略了最本質的控制對象。學生也會覺得實驗和他們的想象有差距，明明說好了控制實驗，結果卻是模擬電路的搭建或者MATLAB/SIMULINK仿真，導致學生對實驗的興趣不高。在實驗教學時，不妨將每次實驗的數學模型后面的實際被控系統為學生做講解，讓學生在頭腦中形成聯系，超調量和調節時間這些響應曲線上的指標也有了實際的物理含義。教學時選取控制工程中的典型范例，突出工程背景，從實際控制系統中了解系統的結構特征、工作原理和設計要求，拓寬學生的視野，激發他們的創新欲望[5]。

3.使用虛擬實驗平臺。面對經費和場地的缺少，實物的控制實驗裝置數量不能滿足數量眾多的本科學生。且對于基礎專業學習來說，學生素質參差不齊，實物系統控制分析略顯復雜，需要對模型進行簡化和線性處理，超出了基礎理論學習的要求，需要到課程設計實踐或者專業性更強的學習階段才能實現。虛擬實驗技術從某些方面很好緩解了這個問題。給學生一個可視的實物仿真控制實驗平臺，對于學生能直觀了解和觀察控制的現象非常有幫助。虛擬實驗教學將成為一種有效的教學模式。通過對一些典型的控制對象如水箱、倒立擺、磁懸浮球、電機等進行仿真，將典型的控制對象可視化，從而強化學生對控制系統概念的理解，提高其分析、設計控制系統的能力，激發學生的創新理念。

如上頁圖1所示是基于MATLAB GUI的水箱控制系統仿真軟件主界面，在軟件主界面上，“參數輸入”模塊進行系統參數的設置，“系統階次選擇”提供選擇水箱階次，從“一階到三階”。“動態響應”模塊提供了系統響應曲線的動態演示，“參數輸出”模塊顯示系統的動態性能指標和系統閉環傳遞函數。“水箱動畫演示”模塊會實時演示液位變化的控制過程，菜單欄的“繪圖選項”還可以進行系統根軌跡以及Bode圖的繪制。“模糊PID”控制還可以讓學生學習設計模糊PID控制參數。在實驗時，可以讓學生運用理論學習的知識，自行設計控制參數，達到滿意的控制效果。通過軟件的運行，可以觀察水箱控制的仿真全過程。

仿真可以忽略一些實際問題，簡化了被控系統的模型，建立理想化模型，讓實驗設計和完成也變得相對容易。從而提高學生學習的自主性和實驗教學的質量。也方便教師的實驗教學和管理，教師有更多的時間研究開發實驗，維護實驗室，有效地緩解了目前實驗教學資金不足、場地短缺以及實驗輔導教師人員不足的壓力。endprint

具有可視化對象的虛擬實驗平臺是提高學生工程實踐能力的有效途徑，經過在實驗平臺的仿真和模擬，再根據學生的興趣和能力，能夠引導其對真實的控制對象設備進行研究和開發，是開發自動控制虛擬實驗平臺的最終目的。

用虛擬實驗軟件平臺代替傳統實驗室，用軟件模擬實際硬件的功能，節約了成本，不受實驗時間和場地的限制，提高了實驗教學效果。既培養了學生在計算機仿真和系統設計方面的能力，同時又不忽略對被控系統的工程背景認識，還可以加深學生對所學理論知識的理解，提高實踐動手能力[6]。

4.開放控制實驗室。自控實驗學時有限，傳統實驗室又是非開放性的，要想在有限學時里鞏固學習實驗內容，達到滿足實驗要求和促進課程理論教學的目的，顯然有些困難。對于學有余力的同學，開放控制實驗室也是一個很好的辦法。配置幾套典型的控制實驗系統，如伺服電機、水箱等，給有興趣的學生課余時間學習和研究控制系統的設計方法。學生可以自行查找資料，設計控制方法，給學生提供獨立的思維空間和足夠的操作時間，老師再加以輔導，幫助學生將理論活學活用，真正地投入工程應用實踐。

三、結語

結合工程應用背景，不但可以使學生對理論有更深刻的理解，同時也會提高學生的學習興趣。讓學生明白控制什么，怎么控制，清楚地看到控制的效果，學習目的更加明確，動手能力明顯提高。在實驗中體現理論上所講重要概念和其應用，逐步培養學生解決實際問題的能力。對《自動控制原理》實驗教學的改革有利于提高學生的思維能力、動手能力和創新能力，全面提高學生的綜合素質。

參考文獻：

[1]王建輝，徐林，顧樹生.自動控制原理實驗教學的改革[J].實驗室研究與探索，2005，（24）：192-195.

[2]魏衡華.系統與控制實驗教學研究與建設[J].教育與現代化，2003，（3）：9-12.

[3]唐超穎，姜斌.“自動控制原理”課程的探究性教學實踐[J].電氣電子教學學報，2007，（29）：91-93.

[4]胡壽松.自動控制原理[M].第四版.北京：科學出版社，2003.

[5]丁勇，王從慶.《自動控制原理》課程的教學改革與實踐[J].南京航空航天大學學報（社科版），2005，（3）：84-86.

[6]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）：186-187.

基金項目：2012年度南京航空航天大學“實驗技術研究與開發”項目

作者簡介：萬敏（1983-），女，江蘇泰興人，工學碩士，實驗師，研究方向為控制理論與控制工程。endprint

具有可視化對象的虛擬實驗平臺是提高學生工程實踐能力的有效途徑，經過在實驗平臺的仿真和模擬，再根據學生的興趣和能力，能夠引導其對真實的控制對象設備進行研究和開發，是開發自動控制虛擬實驗平臺的最終目的。

用虛擬實驗軟件平臺代替傳統實驗室，用軟件模擬實際硬件的功能，節約了成本，不受實驗時間和場地的限制，提高了實驗教學效果。既培養了學生在計算機仿真和系統設計方面的能力，同時又不忽略對被控系統的工程背景認識，還可以加深學生對所學理論知識的理解，提高實踐動手能力[6]。

4.開放控制實驗室。自控實驗學時有限，傳統實驗室又是非開放性的，要想在有限學時里鞏固學習實驗內容，達到滿足實驗要求和促進課程理論教學的目的，顯然有些困難。對于學有余力的同學，開放控制實驗室也是一個很好的辦法。配置幾套典型的控制實驗系統，如伺服電機、水箱等，給有興趣的學生課余時間學習和研究控制系統的設計方法。學生可以自行查找資料，設計控制方法，給學生提供獨立的思維空間和足夠的操作時間，老師再加以輔導，幫助學生將理論活學活用，真正地投入工程應用實踐。

三、結語

結合工程應用背景，不但可以使學生對理論有更深刻的理解，同時也會提高學生的學習興趣。讓學生明白控制什么，怎么控制，清楚地看到控制的效果，學習目的更加明確，動手能力明顯提高。在實驗中體現理論上所講重要概念和其應用，逐步培養學生解決實際問題的能力。對《自動控制原理》實驗教學的改革有利于提高學生的思維能力、動手能力和創新能力，全面提高學生的綜合素質。

參考文獻：

[1]王建輝，徐林，顧樹生.自動控制原理實驗教學的改革[J].實驗室研究與探索，2005，（24）：192-195.

[2]魏衡華.系統與控制實驗教學研究與建設[J].教育與現代化，2003，（3）：9-12.

[3]唐超穎，姜斌.“自動控制原理”課程的探究性教學實踐[J].電氣電子教學學報，2007，（29）：91-93.

[4]胡壽松.自動控制原理[M].第四版.北京：科學出版社，2003.

[5]丁勇，王從慶.《自動控制原理》課程的教學改革與實踐[J].南京航空航天大學學報（社科版），2005，（3）：84-86.

[6]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）：186-187.

基金項目：2012年度南京航空航天大學“實驗技術研究與開發”項目

作者簡介：萬敏（1983-），女，江蘇泰興人，工學碩士，實驗師，研究方向為控制理論與控制工程。endprint

具有可視化對象的虛擬實驗平臺是提高學生工程實踐能力的有效途徑，經過在實驗平臺的仿真和模擬，再根據學生的興趣和能力，能夠引導其對真實的控制對象設備進行研究和開發，是開發自動控制虛擬實驗平臺的最終目的。

用虛擬實驗軟件平臺代替傳統實驗室，用軟件模擬實際硬件的功能，節約了成本，不受實驗時間和場地的限制，提高了實驗教學效果。既培養了學生在計算機仿真和系統設計方面的能力，同時又不忽略對被控系統的工程背景認識，還可以加深學生對所學理論知識的理解，提高實踐動手能力[6]。

4.開放控制實驗室。自控實驗學時有限，傳統實驗室又是非開放性的，要想在有限學時里鞏固學習實驗內容，達到滿足實驗要求和促進課程理論教學的目的，顯然有些困難。對于學有余力的同學，開放控制實驗室也是一個很好的辦法。配置幾套典型的控制實驗系統，如伺服電機、水箱等，給有興趣的學生課余時間學習和研究控制系統的設計方法。學生可以自行查找資料，設計控制方法，給學生提供獨立的思維空間和足夠的操作時間，老師再加以輔導，幫助學生將理論活學活用，真正地投入工程應用實踐。

三、結語

結合工程應用背景，不但可以使學生對理論有更深刻的理解，同時也會提高學生的學習興趣。讓學生明白控制什么，怎么控制，清楚地看到控制的效果，學習目的更加明確，動手能力明顯提高。在實驗中體現理論上所講重要概念和其應用，逐步培養學生解決實際問題的能力。對《自動控制原理》實驗教學的改革有利于提高學生的思維能力、動手能力和創新能力，全面提高學生的綜合素質。

參考文獻：

[1]王建輝，徐林，顧樹生.自動控制原理實驗教學的改革[J].實驗室研究與探索，2005，（24）：192-195.

[2]魏衡華.系統與控制實驗教學研究與建設[J].教育與現代化，2003，（3）：9-12.

[3]唐超穎，姜斌.“自動控制原理”課程的探究性教學實踐[J].電氣電子教學學報，2007，（29）：91-93.

[4]胡壽松.自動控制原理[M].第四版.北京：科學出版社，2003.

[5]丁勇，王從慶.《自動控制原理》課程的教學改革與實踐[J].南京航空航天大學學報（社科版），2005，（3）：84-86.

[6]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）：186-187.

基金項目：2012年度南京航空航天大學“實驗技術研究與開發”項目

作者簡介：萬敏（1983-），女，江蘇泰興人，工學碩士，實驗師，研究方向為控制理論與控制工程。endprint