軍隊院校自動控制類課程課堂設計方法

劉淑波，張 園，初俊博，高 松

(海軍大連艦艇學院裝備自動化系，遼寧大連 116018)

自動控制類課程包括:“自動控制原理”、“自動控制元件”、“計算機控制”、“數字控制系統”(包含單片機和PLC)和“智能控制導論”等課程。

課堂設計就是運用系統論的觀點和方法，按照教學規律和教學對象的特點，確定實現教學目標的方法和步驟，為優化課堂教學效果而制定實施方案的整個過程［1］。采用得當的課堂設計方法可以提高教學質量，優化教學效果。

現有的自動控制類的課堂設計方法大多是針對某一門課程的，很少是針對某一類課程都可適用的。筆者針對所在教研室擔任的自動控制類課程，從整體性教學角度探討了在自動控制類課程教學過程中運用的課堂設計方法。

1 軍事隨動系統

根據軍校教育的要求，自動控制類課程的被控對象應當盡量選用軍事隨動系統。筆者選擇了火箭深彈發射炮作為各門課程統一的被控對象。

1.1 火箭深彈發射炮隨動系統貫穿一門課程

我們以“自動控制元件”這門課程的課堂設計方法為例，在介紹各控制元件之前，先給出火箭深彈發射炮隨動系統的原理結構圖，如圖1所示。學生可以逐步建立并深化系統的觀點，明確每種控制元件只是整個隨動控制系統的一部分。在講授各個控制元件，如:自整角機、放大器、伺服電動機和測速發電機等時，明確每個元件在火箭深彈發射炮隨動系統中的位置、作用以及每個元件的輸入輸出信號和傳遞函數。這樣不同的控制元件在同一個火箭深彈發射炮隨動系統中讓學生不斷強化，他們對相關的概念印象會很深刻，同時也為后續自動控制類的其它課程學習打好基礎。

圖1 火箭深彈發射炮隨動系統原理圖

1.2 火箭深彈發射炮隨動系統貫穿多門課程

讓學生運用系統的觀點分析問題、解決問題是自動控制類課程的共同培養目標。因此，自動控制類課程課堂設計應該從控制系統的系統性入手，用火箭深彈發射炮隨動系統將自動控制類各門課程在學生腦中連接成一個整體，加深學生理解與掌握。

上面我們討論了火箭深彈發射炮隨動系統貫穿于“自動控制元件”課程教學。同樣該隨動系統還可以貫穿于自動控制類的其他課程教學中。例如，將火箭深彈發射炮隨動系統具體的參數引入就可以在“自動控制原理”課程中設計相應的該隨動系統的建模、時域、頻域分析與校正等內容;在“數字控制系統”課程中，涉及到以火箭深彈發射炮隨動系統為主的數字控制系統的組成、分類、發展概況、單片機控制及可編程序控制器(PLC)控制，和該隨動控制系統設計的一般步驟等內容;在“計算機控制”課程中，涉及到火箭深彈發射炮隨動系統的基本組成及工作原理、數字式PID控制、離散域設計、狀態空間設計以及最小拍控制等內容;在“智能控制導論”課程中，涉及到火箭深彈發射炮隨動系統的Fuzzy控制設計及神經網絡控制內容及實驗;在“現代控制理論”課程中，會介紹設計火箭深彈發射炮隨動系統能控性、能觀性、穩定性及極點配置等相應的內容及實驗。

2 仿真教學貫穿全課程

仿真教學可以將概念抽象，難于理解，對學生的抽象思維和邏輯思維要求高的內容變得形象化，仿真教學可以起到任何語言描述和數學推導難以達到的教學效果。

我們把自動控制類的課程分成兩組:一組是“數字控制系統”(包含單片機和PLC)，另外一組是“自動控制原理”、“自動控制元件”、“計算機控制”和“智能控制導論”。第一組課程的仿真教學以“單片機”為例介紹，第二組課程的仿真教學以“自動控制原理”為例介紹。

2.1 仿真教學應用在“單片機”課程教學中

Proteus是目前最好的模擬單片機外圍器件的工具，它可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU及其外圍電路，如 LCD、RAM、ROM、鍵盤、馬達、LED、A/D、D/A ，部分 SPI和 IIC器件等。Proteus與其它單片機仿真軟件不同的是其仿真功能強大。它不僅能仿真單片機CPU的工作情況，還能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其它電路的各種工作情況［2］。

1)Proteus完成原理圖的設計

用Proteus仿真時，所有的元件都已經做好放在元件庫里，設計原理圖的時候，只需要把相應的元件選定拖出來連上線即可。這樣在課堂教學過程中配合多媒體，可以節約大量的畫圖時間，而且比手工畫的更清晰準確，可以隨時根據需要進行改動，克服了傳統教學中插入圖片不能改動的問題。

2)Proteus方便實踐教學

由于 Proteus不僅具備原理圖和 PCB設計能力，而且還可以與Keil C整合構建完整的實驗開發平臺，讓學生進行豐富的實踐。學生首先在仿真軟件中自己搭建電路，編寫程序，將整個系統在仿真軟件環境中實現，并調試通過，然后再利用實驗箱去下載程序，觀察硬件的運行結果并和軟件環境的仿真結果做比較。這樣做的好處是:仿真部分可以在自己的電腦上完成，而硬件的運行在實驗室完成，這樣能夠大大縮短實驗的時間，提高效率，同時下課后，程序的改進又可以回到寢室在電腦上進行。學生練習的機會多了，可以充分地把課余時間利用起來。此外，還有一個直接的好處就是學生做實驗時，已不再是簡單的進行驗證，而是一個實驗的設計者，或者是一個產品或者小系統的設計者。這種流程非常好地培養了學生的工程素養，提高了學生讀圖和設計圖的能力。使用Proteus進行實踐教學既激發了學生的學習興趣，又鍛煉了學生的動手能力，避免了傳統教學中高分低能現象的出現。

筆者指導的本科生畢業設計“基于MPX4115的數字氣壓計設計”以及“溫控報警系統的設計”，就是用Proteus仿真完成的。

2.2 仿真教學應用在“自動控制原理”課程教學中

Matlab/Simulink具有強大的仿真功能。用戶根據自己的需要拖拉相應模塊中的元件，構建所需要的控制系統，通過一系列參數設置即可進行仿真［3］。仿真教學應用在“自動控制原理”課程教學中，有如下的表現。

(1)時域響應法這一章的講授，無論是動態性能指標的求取，還是穩定性的判斷，都可以用仿真方法來完成。例如用 Matlab/simulink搭建閉環系統的模型，給以典型激勵信號，然后讓學生自己通過觀察找到所關注的指標。這樣比起單純用公式講授更形象，更深刻。

(2)頻域法校正這一章中，無論是串聯超前校正還是串聯滯后校正，校正的步驟都比較繁瑣，如果應用仿真方法的話，能比較方便地看出校正的效果。例如，文獻［4］用 Matlab/simulink搭建校正前后系統框圖，從示波器顯示的曲線可以清楚地從時域角度看滿足性能指標的要求。頻域指標的滿足可以編制Matlab程序，避免了繁瑣的校正過程計算［4］。

(3)此外，仿真教學同樣可以應用于第二組其他課程的教學中，例如:非線性系統理論與實驗教學，用仿真方法來演示說明非線性系統的特性及分析非線性控制系統穩定性內容，根軌跡的繪制，頻域分析等;可以使用Matlab中提供的神經網絡、模糊控制和遺傳算法工具箱來設計“智能控制導論”這門課程相應內容的設計。

3 依托課程設計和畢業設計

課程設計和畢業設計是對學生所學控制理論的一個總結及應用，是學生綜臺運用所學的基本理論知識，分析解決實際問題，進行科學研究、工程設計的實踐環節［5］。

在課程設計和畢業設計階段，仍然把自動控制類的課程分成上述兩組。第一組借助于實驗中心提供的人形、能力風暴和寶貝車機器人綜合實驗平臺，主要進行單片機應用系統擴展方面的題目設置;第二組借助實驗中心提供的固高公司生產的直線一級倒立擺和二級倒立擺綜合實驗平臺，主要進行經典控制、現代控制、智能控制和先進控制方面的題目設置。在該階段授課前把相應的設置題目布置給學生，讓學生帶著任務去學習，階段性授課結束后要求學生以大作業的形式把相應題目的體會，理解以及對前沿的了解交上來，可以按照完成的不同程度作為平時考核的依據。這樣既培養了學生查閱資料和自學能力，又提高了學生學習的積極性，更重要的是避免了畢業設計學生選題的盲目性。

［1］ 何惠英，付蘭芳，付少波.淺談課堂教學設計在電路教學中的應用［J］.山東，科技信息，2009(23):140-140

［2］ 陳少航，李山，苗亮亮，蘇憲龍.基于PROTEUS的單片機應用系統的設計與仿真［J］.陜西，現代電子技術，2008(6):43-44

［3］ 王正林，王勝開，陳國順等.MATLAB/SIMULINK與控制系統仿真［M］.北京，電子工業出版社，2009:49-250

［4］ 劉淑波，張園，初俊博等.頻域法校正實驗的仿真實現［C］.大連，軍隊院校實驗室建設與發展學術研討會，2010:621-623

［5］ 張繼勇，陳虹，曹衛.優化課程體系，促進教學改革［J］.北京，中國現代教育裝備，2007(2):35-37.