“自動化系統綜合設計”實踐課程教學探討

魯興舉,彭學鋒,鄭志強

(國防科技大學機電工程與自動化學院,湖南長沙 410073）

“自動化系統綜合設計”實踐課程教學探討

魯興舉,彭學鋒,鄭志強

(國防科技大學機電工程與自動化學院,湖南長沙 410073）

作為自動化專業本科生的綜合性實踐環節,“自動化系統綜合設計”課程要求學生完成一個典型控制系統的完整設計過程,包括系統方案設計、數學建模、計算機輔助分析設計仿真、系統物理實現、系統調試、性能測定及結果分析等。教師在實施教學時,應針對自動化專業人才培養目標,進行合理的選題布置,以多個指導教師對多個學生的形式指導學生完成設計全過程。綜合設計的難度和實施方法均有別于課程設計或畢業設計,對提高學生綜合設計實際控制系統的能力和培養創新意識與工程實踐素養具有重要的作用。

自動化專業;實踐教學;綜合設計

“自動化系統綜合設計”實踐課程是我校機電工程與自動化學院自動化專業新增的一門本科生實習(實訓類)課程,是比課程設計更高層次的綜合性系統設計課程。該課要求學生經歷一個典型控制系統的完整設計過程,包括系統方案設計、數學建模、計算機輔助仿真分析與綜合、系統物理實現、系統調試、性能測定及結果分析等,最后完成綜合設計報告。整個設計任務要求學生在兩周內完成。

1 實踐教學內容設計

我校自動化專業本科生的實踐教學層次為:課程實驗※課程設計※綜合設計(實習/實訓)※畢業設計。可以看出,綜合設計是課程設計的延伸,是整個實踐教學體系中的重要一環。

我們在選題時,向學生提供了大量實際控制系統,如調速控制系統、磁懸浮控制系統、倒立擺控制系統、風擺控制系統、球棒控制系統、XY運動平臺控制系統、四軸運動控制系統、冗余并聯機器人、雙旋翼控制系統、火炮和雷達跟蹤伺服控制系統等。這些系統有些是不穩定、非線性和非最小相位的;有些是欠驅動系統和冗余控制系統;有單變量和多變量的系統;有鎮定控制和跟蹤控制;有運動控制和運動規劃。學生將綜合運用經典控制、現代控制及計算機控制等理論,對實際系統進行分析與綜合[1]。

對綜合設計選題,學生不僅可以在指定的范圍內自由選擇,還可以根據自己的興趣自擬題目。我們每年所擬定的綜合設計內容及要求均不盡相同,有些題目雖然相同,但研究工作要求更加深入。比如倒立擺控制系統,上一學年要求學生對不同形式的倒立擺系統進行建模及仿真,本學年則要求學生設計新的控制算法,進行仿真并在倒立擺實驗裝置上進行調試和驗證,下一學年可要求在倒立擺的控制性能上進行更進一步的深入分析和設計[2]。

2 綜合設計教學實施

1)教學實施過程

(1)布置綜合設計任務,學生自主組合(每組6人左右),自主選題。選定題目后應明確各成員的任務分工。如:總體設計及協調,文獻資料查閱,系統數學建模、分析及仿真,軟件編程,硬件設計實現及調試等方面。

(2)各組在閱讀相關文獻、資料的基礎上進行系統方案的初步設計,撰寫并提交一份格式不限的方案簡單報告,包括研究內容、人員分工、計劃進度及初步技術方案。

(3)采用解析法或實驗法進行控制對象的數學建模,利用Matlab/Simu link等進行控制系統的分析與綜合,完成控制系統的理論設計。

(4)對設計的控制系統進行物理實現,特別是控制器的實現及系統調試實驗。

(5)對調試成功的系統進行性能測試和分析,并通過教師驗收。

(6)總結綜合設計工作,全組共同完成綜合設計報告撰寫。

(7)最后,教師組織一次綜合設計匯報與交流活動,學生對系統設計過程中的經驗與教訓進行總結,對未能解決的疑難問題進行討論。

(8)我們要求學生組長對本組成員給出成績建議和理由,教師結合各組綜合設計報告中的成員工作量和成果,對學生成績進行評定。

2)教學實施流程

在兩周的綜合設計實驗期間,實驗室采取全開放的管理模式,學生自由控制來實驗室的時間,但總時間不少于10天。具體教學流程安排如下:①綜合設計選題;②系統方案論證和設計;③系統數學建模和分析;④系統模型參數測定;⑤控制系統仿真與設計;⑥控制器結構參數確定與物理實現;⑦系統物理實現與調試;⑧系統調試與系統性能測試;⑨實驗數據整理與分析;⑩綜合設計匯報與交流活動。

以上每個環節約為一天。實施過程中除集中的選題安排和驗收交流等工作外,可酌情略作調整。

3)教學組織方式

在綜合設計中,學生多人一組可以培養團隊協作精神。綜合設計小組的成員必須進行分工協作,各自發揮所長,才能更好地完成任務。具體分工內容有總體、分系統,資料、進度、技術,軟件、硬件,數學建模、分析、仿真、編程和調試等。

由多個教師組成的導師組成員在選題、方案論證、理論分析、系統設計、實驗調試和數據分析等多個環節指導學生,使其得到全面鍛煉和提高。

3 結語

“自動化系統綜合設計”實踐課程只明確實驗的目的與要求,由學生自行選定實驗題目后設計實驗方案并加以實現。綜合設計教學內容上具有選題的開放性和任務的系統性,有利于培養學生自主設計和方案實現的能力,激發學生學習的主動性和創新意識。學生設計小組和導師組的教學方式有利于培養學生獨立思考與團結協作相結合的能力。學生可以綜合運用知識和文獻、提出問題和解決復雜問題的能力。由此,學生的綜合設計實際系統的能力創新意識明顯提高。

[1] 彭學鋒,劉建斌,魯興舉.自動控制原理實踐教程[M].北京:中國水利水電出版社,2006

[2] 楊澤斌,孫玉坤,譚倫農.電氣工程及其自動化專業實踐教學的探索與思考[J].南京:電氣電子教學學報,2007,29(1):69-71

Discussion on the Teaching for Automatic Control System Integrated Design Project

LU Xing-ju,PENG Xue-feng,ZHENG Zhi-qiang

(Co llege of E lectromechanica l Eng ineering&Automation,NationalUniversity o f Defence Techno logy,Changsha 410073,China)

As a practical course for undergraduate of autom ation major,the Automatic Control System Design project provides a comp lete process to design a typical control system.Thewhole process includes system scheme contriving,mathem aticalmodel estab lishing,CAD analysis and synthesis,contro ller actualization,system test run,performancemeasure and conclusion drawing.According to the goalofautomation m ajor education,it shou ld be p rovided p roject p rob lem s reasonably,and teaching by the m ode of som e-teachers-to-som e-students.The difficulty and teachingmethods of thedesign projectdistinguish from general course design and graduation design,so the project plays an im portant role in enhancing students'ability o f real contro l system design and training students'innovation thought and engineering accomp lishment.

automation major;practice teaching;integrated project

G647

A

1008-0686(2011)02-0055-02

2010-09-27;

2010-12-23

魯興舉(1977-),男,博士生,講師,主要從事精確制導與控制教學與科研工作,E-mail:luxingju@163.com

彭學鋒(1964-),男,碩士,副教授,主要從事精確制導與控制教學與科研工作;

鄭志強(1965-),男,教授,主要從事精確制導與控制教學與科研工作。