基于新工科的自動控制原理實驗教學改革探索

姜 輝，向 榮，李 珊，羅 瀛

（1.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004 2.桂林電子科技大學教學實踐部，廣西 桂林 541004）

0 引言

近年來，各類科技發展呈現出爆炸式的發展趨勢，第四次工業革命已悄然開啟；為在第四次工業革命中搶得先機，世界主要國家都推出了一系列的科技發展規劃。我國政府為主動應對新技術革命和產業升級，2015年提出了“中國制造2025”戰略，2021年發布了《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》。2017年，新工科專業建設正式提出，推動我國工程教育發展進入一個新階段。工科各類專業與制造業息息相關，要想把我國從制造業大國建設成為制造業強國，必須要有各類人才的支撐，因此新工科建設對于“中國制造2025”戰略的成功實施有著重要的意義，為“中國制造2025”戰略提供強有力的人才支撐[1-4]。

新工科建設除了設立一些符合技術發展趨勢的新興專業，也要求對現有的工科專業進行升級改造。自動化、測控技術與儀器、機器人工程等專業作為新工科建設專業，必須符合新工科專業建設的要求，而自動控制原理課程作為這些專業的專業必修課，同樣需要滿足新工科專業建設的要求[5][6]。本文將以我校自動化和測控技術與儀器專業開設的自動控制原理實驗課程為對象，提出并探討符合新工科專業建設要求的教學內容。通過新的實驗教學內容，增強學生的創新思維，提高學生解決實際工程問題的能力。

1 實驗教學現狀與不足

自動控制原理課程涉及多種學科，理論性強，學生對知識點的接受度低。目前，我校的自動控制原理實驗課程主要通過實驗箱完成，由四個驗證性實驗和一個設計性實驗構成。驗證性實驗偏多導致學生自由發揮的空間小，制約了學生創新思維的激發。設計性實驗為控制系統校正設計，主要內容為設計校正裝置對二階/三階系統進行串聯校正。在實際的實驗過程中，二階/三階系統由運放單元模擬代替，并不是實際的控制對象，因此學生缺乏對實際驅動電路和實際控制對象的認知，不利于提高學生解決實際工程問題的能力。

2 改革的必要性

隨著技術不斷發展，各種設備的智能化是必然的趨勢，其智能化程度也必然會越來越高，對自動控制的要求也必然會越來越高，對高校自動控制原理課程教學的要求也會越來越高。怎樣做好高校自動控制原理課程教學值得相關教學人員去思考。我校自動化和測控技術與儀器專業已獲得國家一流建設專業，由于當前自動控制原理實驗教學內容不能完全滿足新工科專業建設和國家一流建設專業的要求，因此針對教學內容的改革是必要的，迫切需要的。改革的目標是使學生有足夠自我發揮的空間，訓練學生的創新思維，提高學生解決實際工程問題的能力。

3 實驗教學內容的改革

針對驗證性實驗偏多和缺乏實際控制對象的不足，本文設計了兩個新的實驗內容：一是模擬PID閉環溫度控制系統設計，二是模擬PID閉環直流電機調速控制系統設計。

圖1為模擬PID閉環溫度控制系統框圖，框圖中的控制對象為真實的PTC發熱片，其他各個單元均為實際應用電路。實際實驗時，首先按照圖1中的系統框圖搭建模擬PID閉環溫度控制系統，然后通過改變設定值，可實現不同溫度的控制，通過調整PID參數可以實現多種控制效果。

圖1 模擬PID閉環溫度控制系統框圖

圖2（P193）為模擬PID閉環直流電機調速控制系統框圖，框圖中的控制對象為真實的小型直流電機，其他各個單元均為實際應用電路。實際實驗時，首先按照圖2中的系統框圖搭建模擬PID閉環直流電機調速控制系統，然后通過改變設定值，可實現不同速度的控制，通過調整PID參數可以實現多種控制效果。

圖2 模擬PID閉環直流電機調速控制系統框圖

圖3為模擬PID調節器，通過改變對應的電阻，可實現PID參數的調整。

圖3 模擬PID調節器

圖4為各實際應用電路單元。在實際實驗中，根據實驗內容選擇對應的單元電路搭建控制系統。

圖4 各實際應用電路單元

4 實驗教學改革的效果

新設計的兩個實驗，均采用實際的應用電路和真實的控制對象，使實驗內容盡可能貼近真實的工程應用。在2021-2022-1學期，實施了新設計的實驗內容。實驗教學效果同以往對比，展示出實驗完成度有所提高的同時實驗完成所需時間有所減少。實驗報告反饋出學生對自動控制原理的理解更進了一步。

5 結語

綜上所述，根據新工科專業建設和國家一流建設專業的要求，分析當前自動控制原理實驗教學存在的不足之處，有針對性的設計并實施了兩個設計性實驗。實驗教學效果表明，改革后的自動控制原理實驗教學增強了學生對自動控制原理課程的理解，訓練了學生的創新思維，提高了學生解決實際工程問題的能力，達到了預期效果。