自動控制原理實驗教學改革研究與探索

袁艷

摘 ?要 自動拉制原理是自動化專業的重要主干課程，實驗教學是提高理論基礎知識教學效率、增強學生對控制系統深入認識的重要手段。針對原有實驗課程體系中存在的內容少、形式單一的問題，從實驗內容、實驗模式、實驗考核方式等方面進行改革，對實驗教學體系進行充實和更新，可以培養學生綜合設計、創新和獨立解決工程問題的能力，同時為相關課程設計及后續課程學習、畢業設計打下堅實的基礎。

關鍵詞 自動控制原理;實驗教學體系;虛擬實驗系統;MATLAB

中圖分類號：G642.423 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）14-0111-03

Abstract Automatic Control Principle is an important main course of?automation major. Experimental teaching is an important means to?improve the teaching effect of theoretical knowledge and enhance students deep understanding of control system. Aiming at the pro-blems of lack of contents and single form existing in the original experimental curriculum system， the reform is carried out from the aspects of experimental content， experimental mode， experimental examination method， etc.， so as to enrich and update the experimen-tal teaching system. It can cultivate students ability to design， inno-vate and solve engineering problems independently. At the same time， it will lay a solid foundation for relevant curriculum design， follow-up courses and graduation design.

Key words automation control principle; experimental teaching sys-tem; virtual experiment system; MATLAB

1 前言

自動控制原理是自動化專業核心的基礎理論課程，理論性較強，也具有很強的工程實際應用背景，其特點是概念抽象、數學知識含量大、計算繁雜，難教也難學。現有的自動控制原理實驗教學為八學時MATLAB仿真驗證型實驗，實驗內容簡單、形式單一，學生只需要按部就班機械操作即可完成實驗，雖然可以幫助學生加深對理論基礎知識的理解，但不能起到培養學生主動探索與綜合實踐應用能力的作用。

增強實驗教學效果，在實驗環節充分調動學生的主動性，激發學生的實驗熱情，使學生能夠牢固掌握自動控制原理的基本理論，同時具有設計、開發和綜合自動控制系統的實踐創新能力，是自動控制原理課程綜合創新實驗教學的改革方向和目標[1-2]。本文在總結實驗教學經驗的基礎上，結合MATLAB在控制領域的強大功能，通過對自動控制原理課程實驗教學體系的改革、完善和更新，提高學生的學習興趣，可充分利用實驗教學環節的優勢，盡力將“難學”變成“易學”，培養學生分析與設計實際自動控制系統的能力，對提高實驗及理論教學水平和質量具有重要意義。

2 建設目標及主要內容

在多年實驗教學實踐基礎上，本文重新規劃與自動控制原理課程理論教學相配套的實驗教學內容，實驗學時調整為14學時，同時增加自動控制原理課程設計（一周），構建由基礎驗證、綜合設計和創新型設計實驗組成的自動控制原理課程實驗教學體系，所有實驗內容的選擇圍繞系統的構建、性能分析、校正設計與實現進行。通過系統建模、時域/頻域/復域特性分析內容的基礎驗證實驗，熟悉和掌握典型系統的性能計算與分析方法;通過系統校正、綜合設計實驗，掌握如何建立給定自動控制系統的模型、按照給定的校正方式設計校正裝置并對系統性能進行校驗。同時，引入實際自動控制系統作為研究對象，通過創新型設計實驗完成對系統的建模、性能分析及控制校正方式選擇與設計實現，使學生對理論知識有更形象的理解，達到知識的融會應用、激發創新思維，提高學生的綜合設計、創新和獨立解決工程問題的能力。

自動控制原理實驗教學體系構建的主要內容包括[3-5]：開發自動控制原理虛擬實驗系統;創建綜合設計與創新型實驗;改革實驗成績考核方式;整理編寫自動控制原理實驗教材。

虛擬實驗系統設計與實現 ?虛擬實驗系統可以解決傳統實驗模式存在的實驗測量誤差大、復雜圖線顯示困難等弊端，能夠直觀地展現理論知識學習中的計算和曲線繪制過程，有利于加深學生對理論知識的學習和掌握，解決理論與實踐脫節的問題，變被動為主動。同時，虛擬實驗系統具有很強的可操作性，可以將學生在課程學習中難以理解甚至在課堂上沒有學懂的知識圖形化、具體化，也可以將教師從傳統的純黑板的教學模式中解放出來，很好地解決多媒體教學中可視化環節難以實現實時性和動態性的問題，讓學生可以簡單直接領會和理解課程學習中的重點與難點，為學生創造一種輕松而新穎的教學、學習環境[3]，為后續的綜合性設計型實驗奠定基礎，有助于調動學生的積極性，將實驗帶來的教學效益發揮到最大化。

基于MATLAB GUI具有對圖形和數據的處理優勢大、對控制系統分析計算方便的優點[6]，本文設計和實現基于MATLAB GUI的自動控制原理虛擬實驗系統，包括八個模塊，分別是系統建模、時域分析、根軌跡分析、頻域分析、控制系統校正、離散系統分析、非線性系統分析和綜合設計實驗，如圖1所示。實驗5～8為新增實驗內容，調整后的實驗項目內容上涵蓋了自動控制原理課程的全部內容，使學生能夠更全面地掌握相關知識點，旨在提高學生的分析和設計系統的能力。

綜合考慮實驗內容學習、實驗操作、人機交互等因素，虛擬實驗系統的總體設計框圖如圖2所示，平臺整體搭建主要包括主界面、實驗模塊選擇界面和各模塊子系統界面三部分，設計力求直觀、簡單、方便，讓學生可以快速找到相關功能并進行操作。在設計界面時，利用多個靜態文本框（Static Text）來顯示主題，利用按鈕（Push Button）來選擇相關操作，利用可編輯文本（Edit Text）來進行參數的輸入，利用axes來實現圖片或運行曲線的顯示。

虛擬實驗系統運行后首先進入主界面，進行“使用說明”“開始實驗”“實驗報告要求”和“退出”四項選擇，選擇“開始實驗”后進入實驗模塊選擇界面，可進行八個實驗模塊的選擇與切換，選擇其中某一模塊后進入實驗子系統模塊界面，可進行實驗目的、知識講解、例題講解、實驗內容的相關學習。同時，每個實驗子系統模塊均設置有對實驗內容演示說明的選項，使學生明確實驗所需實現的功能和應達到的實驗效果。

如實驗5“控制系統校正”中的串聯校正分析演示，選擇后界面如圖3所示，輸入待校正系統開環傳遞函數（分子、分母系數）及系統性能指標要求：開環增益K=10，截止頻率ωc≥4.4 rad/s，相角裕度γ（ωc）≥45°，幅值裕度h≥10 dB，可通過選擇“待校正系統分析”（圖3中藍色按鈕）計算校正前系統性能指標，并在界面左上部繪制出校正前系統的開環對數頻率特性曲線，可得γ（ωc）=17.96°，ωc=3.08 rad/s，可知均不滿足要求。

通過選擇“系統校正”可實現串聯校正元件傳遞函數設計，給出其分子、分母系數，由圖3可知，為串聯超前校正。同時，在界面左上部繪制校正前后系統的開環對數頻率特性曲線（校正前為實線，校正后為虛線），計算校正后系統的性能指標，可得γ（ωc）=49.34°，ωc=4.4 rad/s，h=+∞，各項指標均滿足設計要求。系統在輸入不正確及校正完成后能給予相應提示，如圖3中紅色文字所示。

對實驗方式的改革 ?自動控制原理的實驗方式由原有的單一基礎驗證型實驗轉變基礎驗證型、綜合設計型、創新型實驗項目相結合的實驗體系。原有的實驗方式中，學生對數學模型難以建立直觀的概念，只停留在理論層次，很難建立抽象的數學模型與實際物理系統之間的聯系。新的實驗體系中增加了創新型實驗作為課程設計的內容，以磁盤驅動讀取系統、加熱爐爐溫控制系統這些實際的物理系統作為研究對象，通過分析系統的組成與變量之間的關系建立數學模型，進行性能分析，根據設計要求靈活構建解決方案并進行校正設計，使學生能利用理論知識解決實際工程問題，注重控制理論的工程意義和實用性，培養學生的自學能力、分析解決問題的能力和綜合應用、獨立創新設計與實踐的能力。

對考核方式的改革 ?在原有考核方式中，實驗成績由教師根據學生的考勤、實驗報告兩部分給出。由于驗證型實驗的結果通常是唯一的，這導致部分學生不認真做實驗，甚至玩手機或上網混時間，通過抄襲其他學生的實驗結果或報告，獲得與認真獨立完成實驗的學生相同的實驗成績。在新的實驗體系中，加強了對實驗前預習的要求，實驗完成前提交預習報告。同時，教師針對每個模塊的實驗操作設計5～10個思考題，實驗完成后由學生當場回答其中的2～3個問題[3]。由于綜合性創新型實驗設計方案的多樣化，在考核過程中，教師不僅考核學生的調試過程與實驗結果，同時考核他們的設計依據，并要求對出現的問題給出合理解釋。同時，將原有的實驗成績占總成績的10%增加到20%，加強學生對實驗的重視度。實驗的最終評分根據考勤、預習報告、實驗操作與回答問題情況、實驗報告綜合給出，從根本上調動了學生的學習積極性和主動性，可以反映學生的真實水平，杜絕學生的抄襲問題。

實驗教材編寫 ?為配合實驗內容和實驗方式的改革，根據實際情況，在總結原有零散的實驗講義的基礎上，結合虛擬實驗系統的相關功能，編寫教材《自動控制原理實驗指導》，對實驗目的、實驗原理、實驗內容進行詳細說明，循序漸進引導學生學習實驗相關的知識并通過實例幫助學生更好地理解實驗原理，從而有針對性地完成所規定的實驗內容。同時，實驗教材對實驗報告提出具體要求，要求學生按照實驗指導書進行預習，引發學生思考，提高學生的學習興趣和參加實驗的學習熱情。

3 結語

本文配合自動控制原理實驗教學體系改革的相關項目，以培養學生創新能力為目標，構建和充實由基礎驗證、綜合設計和創新型設計實驗組成的自動控制原理實驗課程教學體系。新的實驗體系實施以后，在以下幾方面取得很好的效果。

1）學生可以更好地理解課堂內所學習理論知識，培養對實驗的學習興趣和主動性，希望有更多的機會能參加實踐，提高動手能力。

2）理論與實踐相結合的創新設計實驗有一定難度，但學生通過實驗設計不僅可以更深刻地理解與直觀地認識控制系統的基本原理，而且可以提高分析解決問題的能力以及團隊合作精神。

3）完善后的實驗成績考核方式，能更準確客觀地反映學生的真實學習狀況和水平，受到學生好評。

4）自動控制原理虛擬實驗系統整體運行良好，達到設計的目標要求，結合教學實踐表明，系統可解決傳統教學實驗中實驗設備數量不足、知識講解抽象、學生理解困難等問題，具有上手快、操作簡單、結果顯示直觀等優點，起到提高學習質量的作用。

5）完備的自動控制原理實驗教材，能幫助學生更好地在實驗前做好預習工作，明確實驗任務和目標，給學生時間去思考問題，通過查閱文獻或與同學交流解決問題，為順利完成實驗打下良好的基礎。

完善后的實驗教學體系，對于培養學生規范、嚴謹的科學實驗態度，提高靈活運用理論知識的綜合能力大有幫助，為相關課程設計、畢業設計打下堅實的基礎，同時有助于強化實驗教學效果，提高實驗教學質量。

參考文獻

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