自动控制原理实验教学改革研究与探索

    袁艳

    

    

    摘 ?要 自动拉制原理是自动化专业的重要主干课程，实验教学是提高理论基础知识教学效率、增强学生对控制系统深入认识的重要手段。针对原有实验课程体系中存在的内容少、形式单一的问题，从实验内容、实验模式、实验考核方式等方面进行改革，对实验教学体系进行充实和更新，可以培养学生综合设计、创新和独立解决工程问题的能力，同时为相关课程设计及后续课程学习、毕业设计打下坚实的基础。

    关键词 自动控制原理;实验教学体系;虚拟实验系统;MATLAB

    中图分类号：G642.423 ? ?文献标识码：B

    文章编号：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

    自动控制原理是自动化专业核心的基础理论课程，理论性较强，也具有很强的工程实际应用背景，其特点是概念抽象、数学知识含量大、计算繁杂，难教也难学。现有的自动控制原理实验教学为八学时MATLAB仿真验证型实验，实验内容简单、形式单一，学生只需要按部就班机械操作即可完成实验，虽然可以帮助学生加深对理论基础知识的理解，但不能起到培养学生主动探索与综合实践应用能力的作用。

    增强实验教学效果，在实验环节充分调动学生的主动性，激发学生的实验热情，使学生能够牢固掌握自动控制原理的基本理论，同时具有设计、开发和综合自动控制系统的实践创新能力，是自动控制原理课程综合创新实验教学的改革方向和目标[1-2]。本文在总结实验教学经验的基础上，结合MATLAB在控制领域的强大功能，通过对自动控制原理课程实验教学体系的改革、完善和更新，提高学生的学习兴趣，可充分利用实验教学环节的优势，尽力将“难学”变成“易学”，培养学生分析与设计实际自动控制系统的能力，对提高实验及理论教学水平和质量具有重要意义。

    2 建设目标及主要内容

    在多年实验教学实践基础上，本文重新规划与自动控制原理课程理论教学相配套的实验教学内容，实验学时调整为14学时，同时增加自动控制原理课程设计（一周），构建由基础验证、综合设计和创新型设计实验组成的自动控制原理课程实验教学体系，所有实验内容的选择围绕系统的构建、性能分析、校正设计与实现进行。通过系统建模、时域/频域/复域特性分析内容的基础验证实验，熟悉和掌握典型系统的性能计算与分析方法;通过系统校正、综合设计实验，掌握如何建立给定自动控制系统的模型、按照给定的校正方式设计校正装置并对系统性能进行校验。同时，引入实际自动控制系统作为研究对象，通过创新型设计实验完成对系统的建模、性能分析及控制校正方式选择与设计实现，使学生对理论知识有更形象的理解，达到知识的融会应用、激发创新思维，提高学生的综合设计、创新和独立解决工程问题的能力。

    自动控制原理实验教学体系构建的主要内容包括[3-5]：开发自动控制原理虚拟实验系统;创建综合设计与创新型实验;改革实验成绩考核方式;整理编写自动控制原理实验教材。

    虚拟实验系统设计与实现 ?虚拟实验系统可以解决传统实验模式存在的实验测量误差大、复杂图线显示困难等弊端，能够直观地展现理论知识学习中的计算和曲线绘制过程，有利于加深学生对理论知识的学习和掌握，解决理论与实践脱节的问题，变被动为主动。同时，虚拟实验系统具有很强的可操作性，可以将学生在课程学习中难以理解甚至在课堂上没有学懂的知识图形化、具体化，也可以将教师从传统的纯黑板的教学模式中解放出来，很好地解决多媒体教学中可视化环节难以实现实时性和动态性的问題，让学生可以简单直接领会和理解课程学习中的重点与难点，为学生创造一种轻松而新颖的教学、学习环境[3]，为后续的综合性设计型实验奠定基础，有助于调动学生的积极性，将实验带来的教学效益发挥到最大化。

    基于MATLAB GUI具有对图形和数据的处理优势大、对控制系统分析计算方便的优点[6]，本文设计和实现基于MATLAB GUI的自动控制原理虚拟实验系统，包括八个模块，分别是系统建模、时域分析、根轨迹分析、频域分析、控制系统校正、离散系统分析、非线性系统分析和综合设计实验，如图1所示。实验5～8为新增实验内容，调整后的实验项目内容上涵盖了自动控制原理课程的全部内容，使学生能够更全面地掌握相关知识点，旨在提高学生的分析和设计系统的能力。

    综合考虑实验内容学习、实验操作、人机交互等因素，虚拟实验系统的总体设计框图如图2所示，平台整体搭建主要包括主界面、实验模块选择界面和各模块子系统界面三部分，设计力求直观、简单、方便，让学生可以快速找到相关功能并进行操作。在设计界面时，利用多个静态文本框（Static Text）来显示主题，利用按钮（Push Button）來选择相关操作，利用可编辑文本（Edit Text）来进行参数的输入，利用axes来实现图片或运行曲线的显示。

    虚拟实验系统运行后首先进入主界面，进行“使用说明”“开始实验”“实验报告要求”和“退出”四项选择，选择“开始实验”后进入实验模块选择界面，可进行八个实验模块的选择与切换，选择其中某一模块后进入实验子系统模块界面，可进行实验目的、知识讲解、例题讲解、实验内容的相关学习。同时，每个实验子系统模块均设置有对实验内容演示说明的选项，使学生明确实验所需实现的功能和应达到的实验效果。

    如实验5“控制系统校正”中的串联校正分析演示，选择后界面如图3所示，输入待校正系统开环传递函数（分子、分母系数）及系统性能指标要求：开环增益K=10，截止频率ωc≥4.4 rad/s，相角裕度γ（ωc）≥45°，幅值裕度h≥10 dB，可通过选择“待校正系统分析”（图3中蓝色按钮）计算校正前系统性能指标，并在界面左上部绘制出校正前系统的开环对数频率特性曲线，可得γ（ωc）=17.96°，ωc=3.08 rad/s，可知均不满足要求。

    通过选择“系统校正”可实现串联校正元件传递函数设计，给出其分子、分母系数，由图3可知，为串联超前校正。同时，在界面左上部绘制校正前后系统的开环对数频率特性曲线（校正前为实线，校正后为虚线），计算校正后系统的性能指标，可得γ（ωc）=49.34°，ωc=4.4 rad/s，h=+∞，各项指标均满足设计要求。系统在输入不正确及校正完成后能给予相应提示，如图3中红色文字所示。

    对实验方式的改革 ?自动控制原理的实验方式由原有的单一基础验证型实验转变基础验证型、综合设计型、创新型实验项目相结合的实验体系。原有的实验方式中，学生对数学模型难以建立直观的概念，只停留在理论层次，很难建立抽象的数学模型与实际物理系统之间的联系。新的实验体系中增加了创新型实验作为课程设计的内容，以磁盘驱动读取系统、加热炉炉温控制系统这些实际的物理系统作为研究对象，通过分析系统的组成与变量之间的关系建立数学模型，进行性能分析，根据设计要求灵活构建解决方案并进行校正设计，使学生能利用理论知识解决实际工程问题，注重控制理论的工程意义和实用性，培养学生的自学能力、分析解决问题的能力和综合应用、独立创新设计与实践的能力。

    对考核方式的改革 ?在原有考核方式中，实验成绩由教师根据学生的考勤、实验报告两部分给出。由于验证型实验的结果通常是唯一的，这导致部分学生不认真做实验，甚至玩手机或上网混时间，通过抄袭其他学生的实验结果或报告，获得与认真独立完成实验的学生相同的实验成绩。在新的实验体系中，加强了对实验前预习的要求，实验完成前提交预习报告。同时，教师针对每个模块的实验操作设计5～10个思考题，实验完成后由学生当场回答其中的2～3个问题[3]。由于综合性创新型实验设计方案的多样化，在考核过程中，教师不仅考核学生的调试过程与实验结果，同时考核他们的设计依据，并要求对出现的问题给出合理解释。同时，将原有的实验成绩占总成绩的10%增加到20%，加强学生对实验的重视度。实验的最终评分根据考勤、预习报告、实验操作与回答问题情况、实验报告综合给出，从根本上调动了学生的学习积极性和主动性，可以反映学生的真实水平，杜绝学生的抄袭问题。

    实验教材编写 ?为配合实验内容和实验方式的改革，根据实际情况，在总结原有零散的实验讲义的基础上，结合虚拟实验系统的相关功能，编写教材《自动控制原理实验指导》，对实验目的、实验原理、实验内容进行详细说明，循序渐进引导学生学习实验相关的知识并通过实例帮助学生更好地理解实验原理，从而有针对性地完成所规定的实验内容。同时，实验教材对实验报告提出具体要求，要求学生按照实验指导书进行预习，引发学生思考，提高学生的学习兴趣和参加实验的学习热情。

    3 结语

    本文配合自动控制原理实验教学体系改革的相关项目，以培养学生创新能力为目标，构建和充实由基础验证、综合设计和创新型设计实验组成的自动控制原理实验课程教学体系。新的实验体系实施以后，在以下几方面取得很好的效果。

    1）学生可以更好地理解课堂内所学习理论知识，培养对实验的学习兴趣和主动性，希望有更多的机会能参加实践，提高动手能力。

    2）理论与实践相结合的创新设计实验有一定难度，但学生通过实验设计不仅可以更深刻地理解与直观地认识控制系统的基本原理，而且可以提高分析解决问题的能力以及团队合作精神。

    3）完善后的实验成绩考核方式，能更准确客观地反映学生的真实学习状况和水平，受到学生好评。

    4）自动控制原理虚拟实验系统整体运行良好，达到设计的目标要求，结合教学实践表明，系统可解决传统教学实验中实验设备数量不足、知识讲解抽象、学生理解困难等问题，具有上手快、操作简单、结果显示直观等优点，起到提高学习质量的作用。

    5）完备的自动控制原理实验教材，能帮助学生更好地在实验前做好预习工作，明确实验任务和目标，给学生时间去思考问题，通过查阅文献或与同学交流解决问题，为顺利完成实验打下良好的基础。

    完善后的实验教学体系，对于培养学生规范、严谨的科学实验态度，提高灵活运用理论知识的综合能力大有帮助，为相关课程设计、毕业设计打下坚实的基础，同时有助于强化实验教学效果，提高实验教学质量。

    参考文献

    [1]张柯，夏静萍.《自动控制原理》实验课的改革和探究[J].南昌教育学院学报，2013（11）：77-78.

    [2]景洲，张爱民，王勇，等.创建自控原理实验课程教学体系，培养学生创新实践能力[J].高校实验室工作研究，2014（4）：34-36.

    [3]姜文娟，张茂川，等.以《自动控制原理》实验改革入手，构建“1234”实践教学体系[J].亚太教育，2015（24）：95-96.

    [4]杨欣，苏玉刚，等.工程类专业的自动控制原理实验教学体系探究[J].实验室研究与探索，2011，30（10）：312-314.

    [5]盛守照，叶冯超，等.“自动控制原理”实验设计与教学改革思考[J].电气电子教学学报，2017，39（1）：131-134.

    [6]韦春荣.基于MATLAB_GUI的自动控制原理课堂辅助教学系统[J].广西物理，2013，34（4）：55-57.