自動(dòng)控制類專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)探索

［摘 要］ 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)室是面向全校自動(dòng)控制類專業(yè)共享開放的專業(yè)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)室。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀進(jìn)行分析，制訂實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的總體方案，主要按照驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和其他輔助實(shí)驗(yàn)等三個(gè)維度進(jìn)行建設(shè)。搭建綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，解決目前缺乏高質(zhì)量綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的問題，進(jìn)一步支撐綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和競(jìng)賽、實(shí)踐、科研訓(xùn)練等培養(yǎng)環(huán)節(jié)；建設(shè)輔助實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，支撐實(shí)驗(yàn)教學(xué)等環(huán)節(jié)多種控制對(duì)象儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)交互、運(yùn)行監(jiān)測(cè)，以及學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)考核、原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)查詢和自動(dòng)打印實(shí)驗(yàn)報(bào)告等智能化功能。自動(dòng)控制類專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)很好地支撐了課程的教學(xué)改革和目標(biāo)達(dá)成度，效果較好。

［關(guān)鍵詞］ 自動(dòng)控制類；實(shí)驗(yàn)室建設(shè)；綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)；目標(biāo)達(dá)成度

［基金項(xiàng)目］ 2022年度西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)開放型教學(xué)科研平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目“自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目”（0609022GS0301007）

［作者簡介］ 王京鋒（1981—），男，陜西合陽人，博士，西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院副研究員，主要從事自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室管理工作研究。

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）32-0010-04 ［收稿日期］ 2023-07-10

陜西省自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（以下簡稱“中心”）隸屬于西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，服務(wù)于全校和學(xué)院本科生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)踐創(chuàng)新類教學(xué)活動(dòng)。自2019年我校實(shí)施大類專業(yè)招生和培養(yǎng)以來，自動(dòng)化類各專業(yè)培養(yǎng)方案進(jìn)一步修訂完善，其中新增3門必修公共專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程、9門專業(yè)綜合實(shí)踐實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)大幅增加，實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源與上課學(xué)生人數(shù)出現(xiàn)不匹配的問題。目前在教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備方面，缺乏高質(zhì)量綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其數(shù)量也無法滿足學(xué)生自由選課的需求，亟待改善教學(xué)條件，提升教學(xué)品質(zhì)，自動(dòng)化類專業(yè)包括自動(dòng)控制類專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室需要更進(jìn)一步的支持和建設(shè)［1］。

一、自動(dòng)控制類專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)狀

中心依據(jù)自動(dòng)化大類專業(yè)特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)室資源整合后情況，對(duì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了專業(yè)劃分，如圖1所示。

劃分整合后，中心實(shí)驗(yàn)室按照“三橫三縱”進(jìn)行合理布局，橫向?yàn)椤皩I(yè)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)室—專業(yè)方向課程實(shí)驗(yàn)室—?jiǎng)?chuàng)新實(shí)驗(yàn)室/基地”三個(gè)層次，縱向?yàn)椤白詣?dòng)化專業(yè)—電氣工程專業(yè)—機(jī)器人工程專業(yè)”三個(gè)專業(yè)。

自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)室是面向全校自動(dòng)控制類專業(yè)共享開放的專業(yè)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室使用面積約74平方米，實(shí)驗(yàn)設(shè)備16臺(tái)（套），主要設(shè)備有ACES-Ⅱ自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)設(shè)備等，如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的主要實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備大多采購于十年前，雖能開展課程理論的驗(yàn)證及綜合實(shí)驗(yàn)，但隨著技術(shù)的發(fā)展、設(shè)備的老化，已無法滿足學(xué)生開展畢業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)意競(jìng)賽、創(chuàng)新實(shí)踐、創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目等活動(dòng)的要求。

作為學(xué)院和中心的本科自動(dòng)化大類專業(yè)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)室，自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)室是為配合“自動(dòng)控制原理”理論課（省級(jí)精品課程教學(xué)）而建設(shè)的專業(yè)核心課程實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室目前面向全校5個(gè)學(xué)院10多個(gè)專業(yè)的本科生開設(shè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程。其中，“自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)Ⅰ”（獨(dú)立設(shè)課）為學(xué)科基礎(chǔ)課程，24學(xué)時(shí)/1.5學(xué)分。對(duì)于每個(gè)必修實(shí)驗(yàn)，可同時(shí)開出16組，每組2名學(xué)生，最多可容納32名學(xué)生同時(shí)參加實(shí)驗(yàn)。

但是隨著支撐課程體系的改革創(chuàng)新，綜合性、開放型實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容比例逐漸加大，實(shí)驗(yàn)室缺乏高質(zhì)量綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也無法滿足學(xué)生自由選課的需求，自動(dòng)控制類專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室需要更進(jìn)一步的支持和建設(shè)，亟待改善教學(xué)條件，提升教學(xué)品質(zhì)。

二、自動(dòng)控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)總體方案

為了進(jìn)一步落實(shí)“雙一流”建設(shè)目標(biāo)，滿足大類培養(yǎng)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)條件，至少滿足每套設(shè)備2名本科生的小班（組）綜合性實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)和每年500人的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，自動(dòng)控制類專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)總體方案如圖3所示。

自動(dòng)控制類專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)總體思路是依據(jù)實(shí)驗(yàn)室支撐的“自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)”課程等的實(shí)踐競(jìng)賽環(huán)節(jié)需求，按照驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和其他輔助實(shí)驗(yàn)三個(gè)維度進(jìn)行建設(shè)［2］。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要是在現(xiàn)有的ACES-Ⅱ自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行更新?lián)Q代，可自主研發(fā)便攜式自動(dòng)控制理論綜合實(shí)驗(yàn)箱。綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要是解決目前缺乏高質(zhì)量綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的問題，可考慮購置倒立擺、電機(jī)伺服控制系統(tǒng)、球桿控制系統(tǒng)、無人機(jī)飛控系統(tǒng)、機(jī)器人控制平臺(tái)、飛行器模擬加載系統(tǒng)等一系列豐富的控制對(duì)象，進(jìn)一步支撐綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和競(jìng)賽、實(shí)踐、科研訓(xùn)練等培養(yǎng)環(huán)節(jié)。其他輔助實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)主要是支撐實(shí)驗(yàn)教學(xué)等環(huán)節(jié)多種控制對(duì)象儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)交互、運(yùn)行監(jiān)測(cè)，以及學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)考核、原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)查詢和自動(dòng)打印實(shí)驗(yàn)報(bào)告等智能化的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

在建設(shè)自動(dòng)控制類專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室后，還可對(duì)校內(nèi)共享開放的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備進(jìn)行交叉復(fù)用，形成自動(dòng)控制類專業(yè)共享開放綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［3］，進(jìn)一步支撐校級(jí)智能無人系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)踐基地和本科生、研究生的創(chuàng)新實(shí)踐實(shí)驗(yàn)室。

三、自動(dòng)控制類專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

（一）搭建購置新型綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

定制直線直驅(qū)二階系統(tǒng)綜合控制平臺(tái)和直流伺服旋轉(zhuǎn)二階綜合控制平臺(tái)（如圖4所示）等創(chuàng)新型儀器設(shè)備，提升自控實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)硬件保障條件，滿足課程創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

該平臺(tái)建設(shè)將豐富控制系統(tǒng)的被控對(duì)象，提升機(jī)器人工程專業(yè)控制類課程的實(shí)驗(yàn)水平。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)均采用系統(tǒng)化方案，具有完整的反饋系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)具有開放性，能與Matlab等工具軟件無縫連接，可滿足實(shí)驗(yàn)從驗(yàn)證型到綜合性、設(shè)計(jì)型和創(chuàng)新型的轉(zhuǎn)變［4］。

（二）更新?lián)Q代ACES-Ⅱ自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

更新后的自動(dòng)控制理論綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)箱采用半實(shí)物仿真的方式，可配合各種元器件自由設(shè)計(jì)多種電路，配合Matlab軟件平臺(tái)實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果，實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)小巧緊湊，非常適合現(xiàn)有自動(dòng)控制類實(shí)驗(yàn)課程和課程設(shè)計(jì)，以及競(jìng)賽、實(shí)踐等環(huán)節(jié)使用。實(shí)驗(yàn)箱既可以有效補(bǔ)充現(xiàn)有自動(dòng)控制原理模擬機(jī)開發(fā)靈活度不夠的不足，又可以和直線直驅(qū)二階系統(tǒng)綜合控制平臺(tái)、直流伺服旋轉(zhuǎn)二階綜合控制平臺(tái)結(jié)合使用，讓學(xué)生對(duì)模擬電路、典型控制系統(tǒng)有更加深入的理解，真正做到理論知識(shí)與實(shí)際操作相結(jié)合，如圖5所示。

（三）自動(dòng)控制類實(shí)驗(yàn)信息平臺(tái)的建設(shè)

自動(dòng)控制類實(shí)驗(yàn)信息平臺(tái)主要采用邊緣計(jì)算服務(wù)和控制裝置實(shí)驗(yàn)信息平臺(tái)，通過建設(shè)自動(dòng)控制類實(shí)驗(yàn)信息平臺(tái)，使實(shí)驗(yàn)室成為工業(yè)信息物聯(lián)的快速賦能智能控制綜合實(shí)驗(yàn)室［5］。

邊緣計(jì)算服務(wù)平臺(tái)主要對(duì)實(shí)驗(yàn)室的控制裝置數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理、決策及可視化，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)完成的模型、圖形和數(shù)據(jù)進(jìn)行快速執(zhí)行和上傳；控制裝置實(shí)驗(yàn)信息平臺(tái)主要完成實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部組網(wǎng)，并搭建基于局域網(wǎng)構(gòu)架的實(shí)驗(yàn)信息交互平臺(tái)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)、儀器設(shè)備運(yùn)行信息及學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作記錄的共享和分析。

自動(dòng)控制類實(shí)驗(yàn)信息平臺(tái)建設(shè)完成后可實(shí)現(xiàn)控制類綜合實(shí)驗(yàn)室多種控制對(duì)象儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)交互、運(yùn)行監(jiān)測(cè)，以及學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)考核、原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)查詢和自動(dòng)打印實(shí)驗(yàn)報(bào)告等智能化功能，滿足新型綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)需求。

（四）可依托的其他實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

自動(dòng)控制類專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)也可依托學(xué)校或?qū)W院其他實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如無人機(jī)飛控系統(tǒng)、機(jī)器人控制平臺(tái)、飛行器模擬加載系統(tǒng)等，均可共享復(fù)用，這樣可以避免重復(fù)建設(shè)和資源浪費(fèi)等問題［6-7］。

四、教學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)支撐實(shí)驗(yàn)課程改革

自動(dòng)控制類專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)完成后，較好地支撐了“自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)I”（獨(dú)立設(shè)課）等多門實(shí)驗(yàn)課程，新建設(shè)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已在2019級(jí)、2020級(jí)本科生教學(xué)中成功應(yīng)用，教學(xué)實(shí)踐表明實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果較好，并得到了學(xué)生的肯定。

以“自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)I”專業(yè)基礎(chǔ)課程為例，課程對(duì)專業(yè)畢業(yè)要求的支撐采取課程達(dá)成度評(píng)價(jià)方式進(jìn)行。課程達(dá)成度評(píng)價(jià)表建立了課程目標(biāo)與畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)之間的支撐關(guān)系，通過對(duì)平時(shí)成績與期末成績進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)與計(jì)算，可判斷課程目標(biāo)或畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)是否被有效達(dá)成。從評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)可以得出，課程總體達(dá)成度合格，為88.32％，各項(xiàng)較為均衡，效果較好。

結(jié)語

自動(dòng)控制類專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)后，進(jìn)一步支撐了綜合創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)和競(jìng)賽、實(shí)踐、科研訓(xùn)練等培養(yǎng)環(huán)節(jié)，很好地支撐了課程的教學(xué)改革和課程的目標(biāo)達(dá)成度，效果較好。

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Exploration on the Construction of Teaching Laboratories for Automatic Control Majors

WANG Jing-fenga，b， FAN Ze-minga

（a. School of Automation， b. Shaanxi Provincial Automation Experimental Teaching Demonstration Center， Northwestern Polytechnical University， Xi’an， Shaanxi 710129， China）

Abstract： The Automatic Control Principles Laboratory is a professional basic course laboratory that is open and shared for all automatic control majors in the school. By analyzing the current situation of the laboratory， an overall plan for laboratory construction has been developed， mainly based on three dimensions： confirmatory experiments， comprehensive and innovative experiments， and other auxiliary experiments. This paper proposes to establish a comprehensive and innovative experimental platform to solve the current lack of high-quality comprehensive and innovative experimental platforms， and further support the cultivation process of comprehensive and innovative experiments， competitions， practices， and scientific research training; The auxiliary experimental platform supports intelligent functions such as data exchange， operation monitoring， real-time evaluation and assessment of student experimental operations， original experimental data query， and automatic printing of experimental reports for various controlled object instruments and equipment in experimental teaching. The construction of teaching laboratories for automatic control majors has effectively supported the teaching reform of the course and the achievement of course objectives， with good results.

Key words： automatic control class; laboratory construction; comprehensive and innovative experiments; goal achievement