《自動(dòng)控制原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

張 慧

(電子科技大學(xué)成都學(xué)院 電子工程系，成都 611731)

《自動(dòng)控制原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

張 慧

(電子科技大學(xué)成都學(xué)院 電子工程系，成都 611731)

《自動(dòng)控制原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探討，緊扣學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，針對現(xiàn)在個(gè)性突出的大學(xué)生，改變舊的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑尤胱灾髟O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)元素和實(shí)踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生思考問題的模式系統(tǒng)化。實(shí)踐證明，采取合適的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提高學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

自動(dòng)控制原理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)研究；Matlab軟件

《自動(dòng)控制原理》課程是電子電氣類專業(yè)一門很重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。對于這類課程，若以教師為主導(dǎo)的知識(shí)灌輸式的教學(xué)，由于理論知識(shí)涉及面廣泛，專業(yè)知識(shí)難度很大，內(nèi)容很豐富，想真正的教好學(xué)好，教師和學(xué)生都要付出很多的心血。而且對于如此枯燥的理論，能真正理解和掌握的學(xué)生屈指可數(shù)。因此，在近年的《自動(dòng)控制原理》教學(xué)實(shí)踐中，我們逐漸轉(zhuǎn)變了教學(xué)觀念，加入了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，不再把知識(shí)內(nèi)容的灌輸放在絕對重要的位置，而是更突出了以學(xué)生為主體的創(chuàng)新型教學(xué)模式，經(jīng)過對學(xué)生的跟蹤考察取得了一定的效果[1-5]。

1 課程背景

目前，電子工程系開設(shè)的《自動(dòng)控制原理》課程共48課時(shí)，實(shí)驗(yàn)只有8個(gè)課時(shí)。這門課本身存在內(nèi)容多、課時(shí)少的問題，有時(shí)為了完成教學(xué)任務(wù)，就只有學(xué)生自己去完成實(shí)驗(yàn)，這樣就大大降低了學(xué)生的積極性；另外，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也大多是對所學(xué)內(nèi)容的驗(yàn)證，沒有學(xué)生自主分析和設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)。針對這些不足，提出了對自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)課程的改革思路。

和前幾年相比，我們當(dāng)前的教育對象發(fā)生了變化。現(xiàn)在的大學(xué)生多是獨(dú)生子女，他們多數(shù)都有很好的家庭經(jīng)濟(jì)條件，在家庭里都受到了超量的關(guān)愛，每個(gè)人都很有個(gè)性和主張，交際能力強(qiáng)、溝通能力強(qiáng)、社會(huì)活動(dòng)能力強(qiáng)，這是他們的優(yōu)點(diǎn)；但他們身上同樣也有不足，比如缺乏刻苦精神、韌性、團(tuán)結(jié)合作精神、犧牲精神等。對此，教師應(yīng)該有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，如果無視教學(xué)對象的變化，不因材施教，可能會(huì)直接影響教學(xué)效果。

2 主要思路和目標(biāo)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論教學(xué)的延伸和補(bǔ)充，搞好實(shí)驗(yàn)教學(xué)是整個(gè)自動(dòng)控制原理教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，可以使學(xué)生更好地理解基礎(chǔ)知識(shí)，更好地實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)際的有機(jī)結(jié)合。該課程理論性強(qiáng)，學(xué)習(xí)時(shí)必須輔以足夠的實(shí)驗(yàn)，才能使學(xué)生真正理解自控系統(tǒng)中的各種典型環(huán)節(jié)與系統(tǒng)的特性、信號(hào)響應(yīng)情況，以及控制指標(biāo)的分析、設(shè)計(jì)與校正方法，取得較好的學(xué)習(xí)效果。

2.1 增加實(shí)驗(yàn)課時(shí)

針對實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)少的問題，結(jié)合本科相關(guān)專業(yè)的實(shí)際情況，修訂培養(yǎng)方案，適當(dāng)增加課程的課時(shí)數(shù)，特別是實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)。目前，2013年的培養(yǎng)方案已經(jīng)增加了實(shí)驗(yàn)課時(shí)，隨著各方面條件的改善，以后還將考慮增加專門的實(shí)驗(yàn)課程。

2.2 建立專業(yè)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

建立以自動(dòng)控制為基礎(chǔ)的自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用Matlab軟件結(jié)合實(shí)驗(yàn)箱，從硬件設(shè)施上提供學(xué)生工程實(shí)踐的機(jī)會(huì)。目前，我系還沒有專門的自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室，更沒有實(shí)驗(yàn)箱，主要是學(xué)生利用自己的課余時(shí)間做一些簡單的Matlab仿真實(shí)現(xiàn)。基于《自動(dòng)控制原理》課程的特點(diǎn)，加之學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)課的興趣要高于理論課，故建立專業(yè)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有利于提高教學(xué)效果。例如，已知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

(1)

在求單位反饋閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)和單位斜坡響應(yīng)時(shí)，利用Matlab可以很方便地求出，結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 單位階躍響應(yīng)

圖2 單位斜坡響應(yīng)

M文件為：

num=1.06;

den=conv(conv([1 0],[1 1]),[1 2]);

g= tf(num,den);

sys=feedback(g,1);

g1=tf(1,[1 0]);

syst=sys*g1;

figure(1)

Step(sys)

grid

figure(2)

Step(syst)

grid

如果采用Simulink解題，則如圖3所示。

圖3 Simulink解題方法

2.3 團(tuán)隊(duì)協(xié)作機(jī)制

在課時(shí)和硬件條件均有保障的基礎(chǔ)上，就要充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性了。要在學(xué)生掌握了基本專業(yè)理論、基本實(shí)驗(yàn)技能和方法的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。教師要及時(shí)了解本專業(yè)新技術(shù)發(fā)展情況并簡要地介紹給學(xué)生，從身邊科學(xué)入手，身邊資源開始，引導(dǎo)學(xué)生由淺入深地開展實(shí)驗(yàn)；從驗(yàn)證書本理論開始，過渡到選學(xué)實(shí)驗(yàn)，以及學(xué)生自己設(shè)計(jì)的小型系統(tǒng)，教師要給予及時(shí)的指導(dǎo)和幫助。針對本科生的特點(diǎn)，在學(xué)生完成了基本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展綜合性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生自由分組，根據(jù)學(xué)生的興趣自由選擇一些創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)過程中，既能培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，又能培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。另一方面，也提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題及解決問題的能力。

3 進(jìn)一步的思考

從客觀上，增加實(shí)驗(yàn)課時(shí)和建立自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是行之有效的解決方案；從主觀上，采取合適的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提高學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，對于培養(yǎng)應(yīng)用型人才也具有重要的意義的。另外，還可以將自動(dòng)控制與其他課程結(jié)合，讓學(xué)生真正理解所學(xué)課程的意義及與其他課程的關(guān)聯(lián)性，也能加深學(xué)生對本專業(yè)的認(rèn)識(shí)，帶動(dòng)學(xué)生對自己專業(yè)學(xué)習(xí)的積極性。在教學(xué)過程中，要注重實(shí)踐教學(xué)和理論教學(xué)相結(jié)合，要求既有嚴(yán)密的理論體系，又有生動(dòng)的工程實(shí)例；注重對基本概念和基本方法的介紹，在理論推導(dǎo)中引出工程應(yīng)用的概念，在實(shí)例分析中強(qiáng)化理論概念，加深學(xué)生對自動(dòng)控制理論的認(rèn)識(shí)和理解。《自動(dòng)控制原理》課程理論多，與實(shí)際工程結(jié)合緊密，在教學(xué)過程中加入工程應(yīng)用實(shí)例可以大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。如在講解自動(dòng)控制的概念時(shí)，可以從人工控制的特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合水池水位控制系統(tǒng)這樣一個(gè)簡單的實(shí)例，并以圖形描述結(jié)構(gòu)。

另外，有條件的話，可以建立實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，比如溫度控制系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)等綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，還可以帶領(lǐng)學(xué)生去實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場實(shí)習(xí)，使學(xué)生實(shí)戰(zhàn)操作，真切體會(huì)控制器參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。這樣，學(xué)生的動(dòng)手能力可以得到很好的鍛煉，對于《自動(dòng)控制原理》這門課程理解更加系統(tǒng)，更好地將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐。

4 結(jié)束語

自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究緊扣學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，針對現(xiàn)在個(gè)性突出的大學(xué)生，改變舊的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑尤胱灾髟O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)元素和實(shí)踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生思考問題的模式系統(tǒng)化，聯(lián)系所學(xué)的理論知識(shí)和分析方法，分析一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”三個(gè)基本方面的性能。最終通過這次實(shí)驗(yàn)改革，能使電氣自動(dòng)化、機(jī)械自動(dòng)化及電子信息工程專業(yè)的學(xué)生深刻地掌握所學(xué)的內(nèi)容，發(fā)揮學(xué)生的積極性、主動(dòng)性，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，有效提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

[1]余成波．自動(dòng)控制原理[M]．2版.北京：清華大學(xué)出版社，2009．

[2]胡壽松．自動(dòng)控制原理[M]．5版.北京：國防工業(yè)出版社，2006．

[3]柳明，王海軍，郭慶業(yè)．自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J]．實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2012,15(4)：58-59．

[4]付主木，高愛云．《自動(dòng)控制理論》實(shí)踐教學(xué)的研究與探索[J]．實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2012,10(6)：101-103．

[5] 肖理慶，李?。詣?dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J]．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012(3)：67-70.

Research on Experiment Teaching ofAutomaticControlTheory

ZHANG Hui

(Department of Electronic Engineering, Chengdu college of University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

Experiment teaching methods ofautomaticcontroltheory, closely learning process, for ninety prominent personality changed after the old experimental model, adding their own elements and practical aspects of designing experiments, so that students think up a model system. Practice has proved, to take appropriate experimental teaching methods can mobilize the enthusiasm of students, improve students’ practice ability, innovation ability and teamwork.

automatic control theory; experimental teaching; teaching research; Matlab software

2013-10-03；修改日期：2013-06-04

張 慧(1984-)，女，碩士，講師，主要從事自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)和科研工作。

G642.0；TP13

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.04.048