自動控制原理卓越課程的實驗教學探究

管萍 劉小河 劉麗華 李明大

摘要：自動控制原理是自動化專業的主干基礎課程，針對該課程的特點，分析了傳統自動控制原理實驗教學的不足。圍繞“卓越計劃”對培養創新人才的需求，探討了卓越課程自動控制原理實驗的改進措施，從改進實驗內容、實驗手段和完善考核方法等幾方面進行了探索研究。這些改革措施有助于加深學生理解自動控制概念和控制系統的分析設計方法，培養創新能力，增強分析解決實踐問題的能力。

關鍵詞：自動控制實驗；教學探究；工程實踐；創新能力

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）38-0258-02

一、引言

為貫徹落實加快發展具有中國特色的工業及培養創新型人才等戰略，2010年6月，教育部制定執行培養卓越工程師計劃。我校自動化專業2011年獲批進入全國第二批“卓越工程師”計劃。面對新的教學目標，必須改進原有的教學模式，為滿足社會新的需求，應增強學生的動手能力，培養學生的創新意識和創新能力。相比與課堂教學，實驗教學更有利于學生創新意識和能力的培養[1-3]。

我校自動化專業的“卓越工程師”培養計劃的核心課程是自動控制原理，它是學生后期學習專業課程的基礎。該課程要求學生能夠結合工程實踐，掌握分析設計控制系統的方法，培養學生解決實際問題的能力。故該課程工程實踐性較強，課程實驗教學顯得十分重要。改進實驗教學各環節，有助于增強學生的動手和思考能力，對卓越班（執行“卓越工程師”培養計劃的本科班級）學生的專業知識與創新實踐能力培養具有舉足輕重的作用。

二、自動控制實驗現狀

目前自控實驗課程大都是學生在實驗箱和示波器等實驗器材上依照講義上的實驗步驟完成實驗，這樣的實驗很難滿足卓越教學計劃的要求。例如學生做控制系統數學模型實驗，學生用運算放大器等元器件建立數學模型，實驗在模擬機上顯示結果，學生做完實驗后，依舊對控制系統的數學模型的概念理解不深，更難以將此聯系上實踐工程中被控對象的數學模型。另外，目前理論驗證是自控實驗的主要內容，對于實驗結果學生預先知道，只要依照實驗指導書上的步驟就可完成實驗，這樣自控內容的實驗簡單，形式單一，抑制了學生的主觀能動性和實驗積極性，更難以培養學生的創新能力[4]。故應從自控的實驗內容、實驗教學手段和實驗考核方法等幾方面進行改進，構建以提高工程能力和實踐創新能力為目標的實驗課程模式。

三、改進自控實驗內容

自動控制原理的主要內容是從建立系統數學模型開始，然后分別從時域、根軌跡和頻域三方面來分析控制系統的性能，最后設計校正控制系統。為此實驗內容應由淺入深、循序漸進，分成驗證性實驗、設計性實驗和綜合性實驗。首先借助實驗箱和計算機里的Matlab軟件做一些驗證控制系統性能的實驗，然后結合工程實踐背景，給出實驗要求、條件和目標，由學生自己確定實驗方案，制定實驗步驟，完成控制系統設計實驗。最后在具有工程背景的典型實驗裝置上完成分析控制系統、設計工程系統的綜合性實驗。學生通過完成這些實驗，以提高自己的綜合思維和自主創新的能力。

驗證性實驗內容包括典型環節的模擬、動態性能、穩定性以及穩態誤差等自動控制原理的核心知識點[5]。實驗既可以在由運算放大器等元器件組成的實驗箱上進行驗證，也可以在裝有MATLAB軟件的計算機上進行仿真驗證。這樣使學生不僅可以熟悉自控實驗里的常規實驗設備的性能，還可以在計算機上對控制系統進行仿真。以二階系統為例，學生可用MATLAB軟件對二階系統在無阻尼、欠阻尼和過阻尼三種條件下編寫仿真程序，進行仿真分析，學生能快速地觀察到二階系統的輸出響應結果，從而加深了學生對課堂上講授的理論知識的理解。這種通過實驗和仿真分析可以給學生留下很深刻的印象，提高學生的學習興趣，促進培養學生自主學習和實踐創新能力。

系統設計性實驗可以由教師給出題目和實驗需要達到的目的和要求，而實驗步驟和方法由學生自主設計，期間可以和教師討論實驗結果以及有疑惑的地方[5]。控制系統設計性實驗主要是在學生學習了基本控制原理后，能夠在分析控制系統性能的基礎上，設計簡單的控制器，學會處理具有工程背景的簡單的控制系統問題。可讓學生借助MATLAB軟件設計比例微分控制的二階系統、微分反饋的二階控制系統及含有超前滯后的校正控制系統等。在這類設計性實驗中，學生自己分析、設計控制系統，最后比較分析各種控制系統的性能，獲得正確的結論。學生不僅很快熟悉自動控制基本理論，還提高了自己分析解決一些簡單的工程實際問題的能力

綜合性實驗是指實驗內容涉及本課程的綜合知識或與本課程相關課程知識的實驗，是在學生了解和掌握本課程驗證性實驗和設計性實驗的基礎上進行的[6]。對卓越工程師的培養更應注重理論和工程實踐相結合，故為培養學生的工程素養，卓越班的綜合性實驗課程應引入工程實例。在數字仿真實驗的基礎上，進行工程實踐訓練。水箱液位控制系統、電動機調速系統和倒立擺系統等都是自動控制系統中具有代表性的工程控制實例。如在控制系統綜合實驗中，可給定學生上述某一實際控制系統，要求學生首先建立被控系統的數學模型，畫出控制系統結構框圖，運用課堂上所學的理論知識分析控制系統的性能，設計滿足要求的控制器，然后在計算機上進行控制系統仿真，設計控制器參數，仿真結果達到期望要求后，最后在實際系統上做實驗，能夠正確分析實驗結果。這種控制系統綜合性實驗能夠調動學生學習自控原理的主動性，并能全面培養學生的工程實踐創新能力。

四、實驗教學方法的改進

為培養卓越班學生的工程實踐能力，必須注重實驗預習及加強評價實驗全過程。將預習任務具體化，增強學生預習的主觀能動性。在學生進入實驗室前，教師應檢查學生對實驗預習的情況，教師驗收合格后方可進入實驗室。這樣加強預習監管，嚴格要求，提高實驗效果。在實驗全過程中，實驗老師要引導學生自己分析實驗中出現的問題，自己找到出現這個問題的根本原因，最后找到解決問題的方法。以培養學生獨立分析并解決工程實際問題的能力。這些對于卓越工程師日后的控制系統的工程實踐都是受益匪淺的。

五、重視創新能力，改革實驗考核機制

為培養具有創新能力的卓越工程師，實驗成績的評定應以學生能獨立分析問題和解決問題為準則。對于在實驗中能獨立分析設計控制系統的學生應給予較高的實驗成績。實驗預習成績、操作成績和實驗報告成績構成完整的實驗總成績。實驗預習成績應逐個檢查學生預習情況后給出評定，它可占實驗總成績的25%。實驗操作成績要重點考查學生的獨立分析解決控制系統問題的能力，有創新表現的學生應給高分，這部分成績可占實驗總成績的40%。實驗報告成績要重點考查學生正確分析處理實驗結果的能力，這部分成績可占實驗總成績的35%。這樣評定實驗成績以能盡快提高學生的動手能力、創新能力以及工程實踐能力。

六、結束語

本文分析了我校自動控制實驗的現狀，針對我校目前自動控制實驗的不足，探討了卓越課程自動控制原理實驗的改進措施，從改進實驗內容、實驗手段和完善考核方法等幾方面進行了探索研究。這些改革措施有助于加深學生理解自動控制概念和控制系統的分析設計方法，培養創新能力，增強分析解決實踐問題的能力，為學生走上工作崗位成為卓越工程師打下堅實的基礎。

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（S1）：192-194.

[2]楊欣，蘇玉剛，謝昭莉，李斌.工程類專業的自動控制原理實驗教學體系探究[J].實驗室研究與探索，2011，30（10）：312-314.

[3]王會峰，周熙偉，關麗敏.基于“卓越計劃”的低年級學生工程能力培養[J].實驗室研究與探索，2013，32（11）：303-307.

[4]王柯，周延延，吳曉燕，曹健.“自動控制原理”課程實驗教學改革與探索[J].中國電力教育，2013，293（34）：140-149.

[5]陳艷菲，李離.自動控制原理課程實驗教學體系改革[J].中國現代教育裝備，2014，185（1）：70-71.

[6]王素青.應用型本科院校“自動控制原理實驗”教學改革的探索與實踐[J].實驗室科學，2014，17（1）：104-106.