“自動控制原理”實驗改革探索與研究

劉明華?王彩霞

摘要：“自動控制原理”是自動化等電子電氣類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是各門專業(yè)課程的前續(xù)課程。本文分析了目前“自動控制原理”實驗教學中存在的問題，結(jié)合本校學生和實驗現(xiàn)狀，在實驗內(nèi)容設(shè)置、實驗環(huán)節(jié)安排以及引導學生自主學習方面進行了探索和研究，對目前的實驗教學模式進行改革，以實驗教學促進“自動控制原理”的理論教學，加強控制理論學習與實踐應(yīng)用之間的聯(lián)系，為學生走向工作崗位打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：自動控制原理；實驗教學；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）36-0191-02

“自動控制原理”是自動化及電氣信息類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，也是學生學習“現(xiàn)代控制理論”、“過程控制系統(tǒng)”、“運動控制系統(tǒng)”等后續(xù)課程的基礎(chǔ)，是工業(yè)過程控制與優(yōu)化設(shè)計的重要理論依據(jù)。[1]實驗教學是“自動控制原理”課程教學的重要組成部分，實驗教學不但可以加深對自動控制原理理論知識的理解和鞏固，更重要的是可以建立理論和工程實際之間的聯(lián)系，加強工科學生素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和應(yīng)用，自動控制技術(shù)在制造業(yè)、交通、航空航天等眾多產(chǎn)業(yè)部門都起著越來越重要的作用。

一、“自控原理”實驗現(xiàn)狀

隨著自動控制原理教學實驗系統(tǒng)的不斷改進發(fā)展，本校在教學過程中主要采用了各種自動控制原理實驗箱，這些實驗箱基本采用模塊式結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)實驗教學需要構(gòu)造出各種型式和階次的模擬環(huán)節(jié)以及簡單的控制環(huán)節(jié)，很大程度上解決了自動控制原理實驗的基礎(chǔ)教學設(shè)施問題。這些實驗設(shè)置主要是為了驗證課程中的基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)知識。對學生而言，采用這種集成式的自控實驗箱做實驗，只是按照實驗指導書的要求及步驟，逐項進行實驗和操作，進行線路連接和相關(guān)儀器連接、觀察現(xiàn)象、讀取數(shù)據(jù)、記錄與審查數(shù)據(jù)，并觀察結(jié)論是否正確，完成實驗內(nèi)容，但是缺乏針對于實驗原理的分析以及對實驗過程和實驗結(jié)果的分析。這種實驗教學方式在很大程度上限制了學生的思維，限制了學生學習能動性的發(fā)揮，不能很好的將所學的理論知識與實際的控制系統(tǒng)相聯(lián)系，達不到實驗大綱要求的對學生動手能力尤其是分析問題解決問題能力的鍛煉和培養(yǎng)，并且實驗過程流于形式，失去了實驗本身的意義，不利于工科學生工程實踐能力的培養(yǎng)。[2]

二、實驗教學改革的重要性

“自動控制原理”課程不但有獨立的理論和方法，而且有相當強的實踐性和應(yīng)用性，是自動化類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。目前一些經(jīng)典的控制方法仍然廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。由于“自動控制原理”課程理論比較嚴謹，含有大量的數(shù)學公式推導，內(nèi)容比較抽象，如果在學習過程中不輔以合適的實驗，在學習過程中難以將理論上所描述的系統(tǒng)和實際的自動控制系統(tǒng)聯(lián)系起來，造成理論與實際工程脫節(jié)，導致學生缺乏學習這門課程的主動性和積極性，不但影響了后續(xù)專業(yè)課程的學習，而且不利于學生工程實踐意識的培養(yǎng)。[3]

“自動控制原理”實驗教學是理論教學的延伸和補充，搞好實驗教學是整個自動控制原理教學過程的重要環(huán)節(jié)，課程的實驗內(nèi)容的設(shè)置、授課方式、講授效果的好壞直接影響著學生的學習效果，以及學生對專業(yè)知識的整體掌握。因此需要對“自動控制原理”的實驗教學進行探討和研究，提高學生專業(yè)課的學習效果，進一步提高專業(yè)素養(yǎng)。

為了激發(fā)學生學習“自動控制原理”課程的積極性和熱情，同時為了提高學生的分析問題的能力以及將控制理論應(yīng)用于實際工程系統(tǒng)的能力，迫切需要改進自動控制原理課程的實驗內(nèi)容、實驗教學方式、教學手段等。同時，在實驗改革的實施過程中，教師需要進一步提高實驗教學水平，為自動控制原理課程的教學建設(shè)的以及其它控制課程的可持續(xù)發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

三、實驗教學改革探索

近年來，控制理論得到了蓬勃發(fā)展，特別在非線性控制、分布參數(shù)控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制、智能控制等方向上取得了重要進展，但先進的控制理論在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用卻受到限制。為了能夠處理好理論與實踐之間的關(guān)系，在“自動控制原理”實驗教學過程中需要及時將所學理論知識及時與實驗內(nèi)容以及工程實踐相結(jié)合，培養(yǎng)學生將理論應(yīng)用到實際工程領(lǐng)域的能力，同時將新技術(shù)新理論及時介紹給學生，保持課程內(nèi)容的先進性的同時，引導學生開闊眼界，從整體高度把握專業(yè)發(fā)展方向。在如下方面對“自動控制原理”的實驗教學進行了探討：

1.實驗進度安排

根據(jù)實驗大綱要求，對實驗進度進行合理設(shè)計，以提高學生學習興趣和能動性為目的，進而達到學生動手能力的培養(yǎng)。首先可以設(shè)置簡單工程實例作為演示實驗內(nèi)容，讓學生直觀的對理論與實際系統(tǒng)相結(jié)合有全面的認識；其次根據(jù)學生的學習進度，逐步設(shè)置不同級別的實驗項目，使學生對基本實驗儀器、設(shè)備單元的用途和使用方法有足夠的了解和掌握后，再要求學生做到能夠獨立分析和排除實驗用儀器、設(shè)備單元的常見故障，能夠利用現(xiàn)有實驗裝置和儀器、儀表正確獲取、處理實驗數(shù)據(jù)；最后要求學生按照實驗項目的要求和指標，自行擬定實驗提綱，自行設(shè)計組織實驗，自行設(shè)計實驗方案，自行設(shè)計實驗表格，自行決定需要測取的實驗數(shù)據(jù)，自行決定實驗小組人數(shù)，自行安排實驗進程。在實驗過程中充分鍛煉學生的實踐動手能力，啟發(fā)學生的思維。

在講解實驗教學內(nèi)容時，應(yīng)該讓學生理解控制系統(tǒng)的設(shè)計過程以及實際的控制系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)該注意的問題，并且鼓勵學生根據(jù)其他專業(yè)課程知識以及相應(yīng)的資料和網(wǎng)絡(luò)資源自主設(shè)計實驗內(nèi)容。

2.實驗內(nèi)容設(shè)置

實驗課的目的不僅僅是為了掌握一些儀器設(shè)備的操作使用以及一些測定的技術(shù)方法，更重要的是通過實驗培養(yǎng)學生的思維能力、創(chuàng)新能力、實踐能力。以往對實驗的重視不足直接導致實驗內(nèi)容陳舊，設(shè)計型、綜合型實驗比例偏少，忽視對實驗現(xiàn)象的認真分析等。[4]

為了培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新能力，可以將實驗內(nèi)容分為基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗和研究性實驗。在課程的前期，可以根據(jù)實驗進度開設(shè)基礎(chǔ)性實驗。基礎(chǔ)性實驗包括一些基礎(chǔ)性的驗證和仿真實驗，如典型環(huán)節(jié)的時域、頻域分析實驗等，主要讓學生鞏固和驗證所學理論知識，熟練掌握實驗設(shè)備的使用和調(diào)試。在課程中期可以開設(shè)一些綜合性實驗。綜合性實驗可以結(jié)合檢測技術(shù)等專業(yè)課程，設(shè)置一些基于實際系統(tǒng)的實驗， 如水箱控制系統(tǒng)及溫濕度檢測與控制系統(tǒng)等，要求學生能夠正確運用所學的理論知識，在實驗過程中熟悉控制系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試方法，重點培養(yǎng)學生將理論應(yīng)用于工程實際的能力。在課程后期可以讓學生組成團隊，開設(shè)有一定難度的創(chuàng)新及研究型實驗。可以結(jié)合電子技術(shù)課程和電機拖動等課程，讓學生自己設(shè)計一個完整的控制系統(tǒng)，如倒立擺實驗、機械臂控制實驗等，主要培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識、動手分析問題解決問題以及團隊協(xié)作能力。

3.學生實驗引導

在實驗教學過程中突出學生的主體地位。緊密結(jié)合本課程以及實驗課程培養(yǎng)目標和計劃，設(shè)計引導學生們學習實驗過程，擺脫老師演示，學生照搬的教學模式。比如“PID控制器的特性”實驗，可以鼓勵學生通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)，觀察不同的比例系數(shù)、積分、微分時間常數(shù)對系統(tǒng)的靜態(tài)及動態(tài)性能的影響，讓學生主動學習PID控制器參數(shù)的調(diào)試方法。在實驗過程中以學生為主體，指導學生進行實驗預習，實驗的每一步都由學生自己完成。適當設(shè)計實踐過程中經(jīng)常出現(xiàn)問題的一些環(huán)節(jié)，鼓勵學生嘗試解決實驗中遇到的問題，如示波器調(diào)試、電路檢查、程序測試等，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。[5]

4.仿真工具應(yīng)用

在實驗過程中要充分利用Matlab等一些先進的仿真工具，Matlab是目前國際控制領(lǐng)域最流行的語言，具有強大的數(shù)值計算能力以及系統(tǒng)建模仿真等功能。將Matlab仿真應(yīng)用到“自動控制原理”實驗中，學生通過對比實際實驗現(xiàn)象（如電路模擬）和Matlab仿真的結(jié)果，學習實際工程與理論仿真之間的區(qū)別與聯(lián)系，逐步培養(yǎng)實際動手能力和計算機輔助分析能力。一些綜合性和創(chuàng)新性實驗可以使學生通過Matlab搭建仿真模型，設(shè)計控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)控制參數(shù)，來仿真驗證控制系統(tǒng)的可行性，培養(yǎng)將控制理論應(yīng)用到實際控制系統(tǒng)中的能力，進一步培養(yǎng)學生對實際控制系統(tǒng)的整體把握能力和工程意識。

5.實驗報告改革

改進現(xiàn)有的實驗報告形式。改變學生花費大量的時間抄寫實驗指導書撰寫實驗報告的現(xiàn)狀，注重學生對實驗設(shè)計、實驗過程、以及實驗結(jié)論的分析和理解，留給學生足夠的思考和分析問題的時間和空間，對于基礎(chǔ)的驗證性實驗，重點放在對實驗原理的理解和對實驗結(jié)果的分析方面；對于綜合性實驗，主要培養(yǎng)學生將理論知識應(yīng)用到實際控制工程的能力，以及專業(yè)知識的結(jié)合能力，培養(yǎng)學生對專業(yè)知識的整體把握能力；對于創(chuàng)新型實驗，要注重實驗的整體設(shè)計思想，細節(jié)部分的實現(xiàn)方法，具體的調(diào)試步驟，培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力，增強對控制理論的認識和應(yīng)用，進一步拓展專業(yè)知識應(yīng)用范圍，為以后的工作打下堅實的基礎(chǔ)。

四、結(jié)論

“自動控制原理”是自動化專業(yè)以及電子電氣類專業(yè)的核心課程。目前控制理論已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、居民生活、航空航天等各個方面，還在向更縱深、更廣闊的領(lǐng)域發(fā)展，無論在數(shù)學工具、理論基礎(chǔ)、還是在研究方法上都產(chǎn)生了實質(zhì)性的飛躍，在實際中的應(yīng)用也越來越廣泛和深入。結(jié)合目前控制理論和技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景，在制定“自動控制原理”實驗計劃和實驗內(nèi)容時一定要注重理論和實踐相結(jié)合，引導學生將控制理論應(yīng)用到實際系統(tǒng)中，通過不同類型的實驗，培養(yǎng)學生通過專業(yè)的學習將“信息、控制和系統(tǒng)”相結(jié)合的能力，以及對控制系統(tǒng)的整體把握，為走上工作崗位打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]胡壽松.自動控制原理[M].第五版.北京：科學出版社，2007

[2]王柯，周延延，等.“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，（34）：140-149.

[3]胡皓.軟硬結(jié)合的實驗教學模式探討[J].2011SEHVE： 382-385

[4]李發(fā)榮等.在實驗課教學中加強學生能力培養(yǎng)的探索及思考[J].高等理科教育，2006，（6）：125-127.

[5]鄢圣茂，宋立忠.“自動控制原理”實驗教學研究與實踐[J].中國電力教育，2011，（27）：137-139.

[6]張敬南，等.實驗教學中虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的研究[J].實驗技術(shù)與管理，2013，30（12）：101-104.

（責任編輯：劉翠枝）