《控制理論綜合實驗》改革與實踐

冉陳鍵　竇寅豐

摘要：《控制理論綜合實驗》主要包含《自動控制原理》和《計算機控制技術(shù)》兩門課程的實驗內(nèi)容，是自動化專業(yè)的重要基礎(chǔ)實驗。文章針對該實驗課程在本科教學(xué)中的現(xiàn)狀，提出了新的改革實驗教學(xué)措施。教師的工作更側(cè)重于介紹實驗設(shè)備和提供設(shè)計思路，由學(xué)生自主選擇實驗元件、制定實驗方案、編程仿真并完成實驗。改革實踐初步證明，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新和實踐能力都得到了很大提高。

關(guān)鍵詞： 控制理論；實驗教學(xué)；教學(xué)改革；自主；創(chuàng)新

1引言

《自動控制原理》和《計算機控制技術(shù)》作為大學(xué)自動化類專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，其中的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)可以直接影響到學(xué)生對控制理論知識的掌握程度， 并間接影響后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。傳統(tǒng)的控制理論綜合實驗在以下方面具有很大的缺點，如教學(xué)環(huán)節(jié)受實驗內(nèi)容的局限、實驗時間上的不連貫性。這些都從空間和時間上極大限制了學(xué)生的思維活躍性，不利于學(xué)生自身分析解決問題能力的培養(yǎng)。

針對上述該實驗教學(xué)中存在的種種弊端，以鍛煉學(xué)生的實踐操作能力和創(chuàng)新思維為目標(biāo)，我們在傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式上進行了一系列改進。經(jīng)過多年的實踐表明，新的控制理論綜合實驗的實驗教學(xué)方法無論對于培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力，還是解決問題的能力都十分有利，且使得學(xué)生對已掌握的理論知識有了更深一步的理解，課堂的教學(xué)效果取得了長足的進步。

2目前控制理論綜合實驗教學(xué)中的不足

由于課程設(shè)置和學(xué)時等客觀的原因，之前的控制理論綜合實驗課每周只做一次實驗，學(xué)生已掌握的實驗內(nèi)容和技能得不到及時復(fù)習(xí)和鞏固，很難全面深入地理解實驗，對每次實驗中出現(xiàn)的問題也缺少進一步分析，大大限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維發(fā)展和實踐能力的鍛煉，不利于學(xué)生綜合實踐能力的提高。較長的時間間隔也使學(xué)生每次實驗都要對實驗設(shè)備重新熟悉，同時還使一些互為補充的相關(guān)實驗不能及時得到比較和驗證。

3實驗教學(xué)改革的具體思路

從一周一次實驗課改為一周兩次實驗課，根據(jù)學(xué)生數(shù)量分為4～6組，并在每組預(yù)留一些實驗位置。這樣不但實驗銜接緊湊，而且學(xué)生還可以根據(jù)自身情況重復(fù)實驗。在此基礎(chǔ)上增強控制理論綜合實驗各個項目之間的承接，變單一驗證性實驗為綜合性實驗。其中包括實驗電路的設(shè)計、系統(tǒng)的參數(shù)選擇及調(diào)試、故障的排除以及用軟件對實驗進行仿真等內(nèi)容。

在對學(xué)生給出實驗成績時，重視實驗全過程。將實驗預(yù)習(xí)、實驗效率以及解決問題的能力劃入重點考評范圍，進一步降低實驗結(jié)果和實驗報告在實驗總成績中的分?jǐn)?shù)占比，提高學(xué)生在課上的實驗過程以及學(xué)生對實驗內(nèi)容理解程度的分?jǐn)?shù)占比及重要性。

為適應(yīng)實驗課程改革的需要，我們自動化教研室重新編寫了《控制理論綜合實驗指導(dǎo)書》。在實驗指導(dǎo)書中只給出了實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗步驟以及實驗結(jié)果記錄表格，實驗電路的設(shè)計和實驗原理中的理論公式作為預(yù)習(xí)內(nèi)容，由學(xué)生根據(jù)理論課相關(guān)知識在課前完成。上課過程中，實驗教師根據(jù)學(xué)生設(shè)計的電路以及實驗完成情況進行點評、指導(dǎo)及打分。如有時間，由設(shè)計較優(yōu)秀的學(xué)生為大家講解其設(shè)計思路并進行總結(jié)。

改革后的實驗?zāi)Ｊ酱蚱屏恕袄蠋煱磿v、學(xué)生照書做”的傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，把實驗的主動權(quán)交給學(xué)生，讓學(xué)生成為課堂的主人，更好地激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維。這門操作較為簡單、但學(xué)生發(fā)揮空間較大的《線性系統(tǒng)的校正》實驗中，實驗指導(dǎo)書僅僅給出系統(tǒng)校正后的性能指標(biāo)要求，而校正后的傳遞函數(shù)的推導(dǎo)、校正電路的設(shè)計、實驗步驟以及記錄實驗結(jié)果的表格全部由學(xué)生在課前的預(yù)習(xí)工作中完成。對于在實驗中出現(xiàn)的問題也由學(xué)生自行分析并解決。預(yù)習(xí)中出現(xiàn)的問題、實驗中出現(xiàn)的問題、如何解決問題以及本實驗的重點、難點都由學(xué)生在實驗報告最后進行總結(jié)。這樣，我們通過一個簡單的基礎(chǔ)實驗，不但可以對學(xué)生的基礎(chǔ)知識和實踐能力進行鍛煉，還能有效地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維并提高其設(shè)計實驗的能力。

4 實驗內(nèi)容

在實驗教學(xué)改革中，實驗教學(xué)內(nèi)容的改革重中之重。為了鍛煉學(xué)生的實踐能力，我們在教學(xué)內(nèi)容中著重強調(diào)了對學(xué)生的自主創(chuàng)新能力以及實踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

4.1實驗基礎(chǔ)技能的訓(xùn)練

控制理論綜合實驗改革的目的是進一步提高學(xué)生的基本實驗技能。其中包括：數(shù)字萬用表的正確使用方法；TD-ACS實驗系統(tǒng)相關(guān)單元的性能參數(shù)測定及故障診斷；典型環(huán)節(jié)的電路設(shè)計及故障診斷；典型系統(tǒng)的電路設(shè)計及故障診斷；線性系統(tǒng)的根軌跡分析；線性系統(tǒng)的頻率特性分析；信號的采樣方法及采樣頻率的判斷；PID控制方法及PID參數(shù)的整定方法等。通過這些實驗基礎(chǔ)技能訓(xùn)練，學(xué)生可以進一步加深自動控制原理和計算機控制技術(shù)課程中理論知識的印象，并掌握實驗系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試與實驗系統(tǒng)故障診斷的一般方法。

4.2實驗部分內(nèi)容舉例

《積分分離PID控制方法》與《簡易工程法整定PID參數(shù)》兩個實驗屬于具有一定關(guān)聯(lián)性的實驗，學(xué)生在一周之內(nèi)連續(xù)完成，不但實驗效率較高，對理論知識的掌握和應(yīng)用也會進一步加深。

（1） 在《積分分離PID控制方法》實驗中給出一個典型的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖，再根據(jù)實驗系統(tǒng)及所提供的元器件自行補全實驗電路圖中缺失的部分。學(xué)生可根據(jù)實驗指導(dǎo)教師的指引，自行設(shè)計實驗表格，并擬定實驗中的PID參數(shù)。結(jié)合每個參數(shù)變化對電路輸出信號的影響，從而總結(jié)出PID各個參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。

（2） 總結(jié)出PID控制中各個參數(shù)對系統(tǒng)行程的影響規(guī)律后，學(xué)生才能在此基礎(chǔ)上高效地進行實驗《簡易工程法整定PID參數(shù)》。在本實驗中，學(xué)生依然需要自行補全實驗電路圖，并應(yīng)用臨界比例度法及擴充相應(yīng)曲線法來整定PID參數(shù)。根據(jù)兩種實驗方法得到的PID參數(shù)對系統(tǒng)的控制效果若不理想，則可以通過上節(jié)實驗總結(jié)的規(guī)律，適當(dāng)對PID參數(shù)進行調(diào)整，直到效果滿意為止。

（3） 對實驗過程中遇到的問題、實驗系統(tǒng)發(fā)生的故障、如何判斷并解決問題等實驗要點認(rèn)真做好記錄，并對實驗進行總結(jié)。

在以上實驗過程中學(xué)生須在課前預(yù)習(xí)工作中完成電路設(shè)計工作，且在課上通過測試。通過實驗過程中的系統(tǒng)故障診斷與排除、實驗數(shù)據(jù)圖表的規(guī)范設(shè)計等過程，提高學(xué)生對實驗意義的認(rèn)識，加強實驗技能的運用能力，激發(fā)學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造性思維，有效地提高了學(xué)生對實驗的設(shè)計能力和在實驗中排除、解決問題的能力。

除此之外我們還在實驗中滲透了基于Matlab和Labview的仿真教學(xué)，學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中可以通過軟件對實驗進行仿真，進而印證自己實驗設(shè)計部分的正確性，并在實驗課上將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果進行比較，進而提高實驗課的質(zhì)量和效率，也對兩款經(jīng)典仿真軟件進行初步學(xué)習(xí)。在課堂時間允許的情況下，學(xué)生之間也可以將自己實驗過程中出現(xiàn)的故障再現(xiàn)，考察其他學(xué)生的故障排除能力。通過總結(jié)實驗經(jīng)驗，以提高實驗技能為出發(fā)點，從實驗的理論研究到實驗過程的設(shè)計，從實驗器材的正確使用到實驗系統(tǒng)的故障診斷，從多個方面強化學(xué)生獨立分析問題和解決問題的能力。

5結(jié)論

我們通過對實驗教學(xué)模式的改革，真正做到了以學(xué)生為中心、教師為輔助的課堂翻轉(zhuǎn)模式。對課堂時間的靈活安排，使學(xué)生能在課上課下對實驗內(nèi)容進行高效學(xué)習(xí)，進一步加強學(xué)生對已掌握理論知識的理解和運用能力。同時激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提高學(xué)習(xí)熱情，最終全面提高實驗綜合素質(zhì)和能力，為塑造新時代工程應(yīng)用型人才打下堅實的基礎(chǔ)。

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編輯∕姜雯