“自動控制原理”實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，結(jié)合本校學(xué)生和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀，在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)安排以及引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)方面進(jìn)行了探索和研究，對目前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行改革，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)促進(jìn)“自動控制原理”的理論教學(xué)，加強(qiáng)控制理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐應(yīng)用之間的聯(lián)系，為學(xué)生走向工作崗位打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：自動控制原理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；教學(xué)改革

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)生學(xué)習(xí)“現(xiàn)代控制理論”、“過程控制系統(tǒng)”、“運(yùn)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(jì)的重要理論依據(jù)。[1]實(shí)驗(yàn)教學(xué)是“自動控制原理”課程教學(xué)的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)際之間的聯(lián)系，加強(qiáng)工科學(xué)生素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。隨著計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀

隨著自動控制原理教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不斷改進(jìn)發(fā)展，本校在教學(xué)過程中主要采用了各種自動控制原理實(shí)驗(yàn)箱，這些實(shí)驗(yàn)箱基本采用模塊式結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)教學(xué)設(shè)施問題。這些實(shí)驗(yàn)設(shè)置主要是為了驗(yàn)證課程中的基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)知識。對學(xué)生而言，采用這種集成式的自控實(shí)驗(yàn)箱做實(shí)驗(yàn)，只是按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的要求及步驟，逐項(xiàng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和操作，進(jìn)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但是缺乏針對于實(shí)驗(yàn)原理的分析以及對實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式在很大程度上限制了學(xué)生的思維，限制了學(xué)生學(xué)習(xí)能動性的發(fā)揮，不能很好的將所學(xué)的理論知識與實(shí)際的控制系統(tǒng)相聯(lián)系，達(dá)不到實(shí)驗(yàn)大綱要求的對學(xué)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(shí)驗(yàn)過程流于形式，失去了實(shí)驗(yàn)本身的意義，不利于工科學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。[2]

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的重要性

“自動控制原理”課程不但有獨(dú)立的理論和方法，而且有相當(dāng)強(qiáng)的實(shí)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(yán)謹(jǐn)，含有大量的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，內(nèi)容比較抽象，如果在學(xué)習(xí)過程中不輔以合適的實(shí)驗(yàn)，在學(xué)習(xí)過程中難以將理論上所描述的系統(tǒng)和實(shí)際的自動控制系統(tǒng)聯(lián)系起來，造成理論與實(shí)際工程脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)，而且不利于學(xué)生工程實(shí)踐意識的培養(yǎng)。[3]

“自動控制原理”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)是整個自動控制原理教學(xué)過程的重要環(huán)節(jié)，課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)置、授課方式、講授效果的好壞直接影響著學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，以及學(xué)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(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行探討和研究，提高學(xué)生專業(yè)課的學(xué)習(xí)效果，進(jìn)一步提高專業(yè)素養(yǎng)。

為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)“自動控制原理”課程的積極性和熱情，同時為了提高學(xué)生的分析問題的能力以及將控制理論應(yīng)用于實(shí)際工程系統(tǒng)的能力，迫切需要改進(jìn)自動控制原理課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式、教學(xué)手段等。同時，在實(shí)驗(yàn)改革的實(shí)施過程中，教師需要進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，為自動控制原理課程的教學(xué)建設(shè)的以及其它控制課程的可持續(xù)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(jìn)展，但先進(jìn)的控制理論在實(shí)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(shí)踐之間的關(guān)系，在“自動控制原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中需要及時將所學(xué)理論知識及時與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及工程實(shí)踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生將理論應(yīng)用到實(shí)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(xué)生，保持課程內(nèi)容的先進(jìn)性的同時，引導(dǎo)學(xué)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(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了探討：

1.實(shí)驗(yàn)進(jìn)度安排

根據(jù)實(shí)驗(yàn)大綱要求，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和能動性為目的，進(jìn)而達(dá)到學(xué)生動手能力的培養(yǎng)。首先可以設(shè)置簡單工程實(shí)例作為演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生直觀的對理論與實(shí)際系統(tǒng)相結(jié)合有全面的認(rèn)識；其次根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度，逐步設(shè)置不同級別的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生對基本實(shí)驗(yàn)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(xué)生做到能夠獨(dú)立分析和排除實(shí)驗(yàn)用儀器、設(shè)備單元的常見故障，能夠利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置和儀器、儀表正確獲取、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；最后要求學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求和指標(biāo)，自行擬定實(shí)驗(yàn)提綱，自行設(shè)計(jì)組織實(shí)驗(yàn)，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表格，自行決定需要測取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，自行決定實(shí)驗(yàn)小組人數(shù)，自行安排實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。在實(shí)驗(yàn)過程中充分鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動手能力，啟發(fā)學(xué)生的思維。

在講解實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容時，應(yīng)該讓學(xué)生理解控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程以及實(shí)際的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時應(yīng)該注意的問題，并且鼓勵學(xué)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(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力。以往對實(shí)驗(yàn)的重視不足直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊，設(shè)計(jì)型、綜合型實(shí)驗(yàn)比例偏少，忽視對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的認(rèn)真分析等。[4]

為了培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，可以將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)。在課程的前期，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)度開設(shè)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)?；A(chǔ)性實(shí)驗(yàn)包括一些基礎(chǔ)性的驗(yàn)證和仿真實(shí)驗(yàn)，如典型環(huán)節(jié)的時域、頻域分析實(shí)驗(yàn)等，主要讓學(xué)生鞏固和驗(yàn)證所學(xué)理論知識，熟練掌握實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。綜合性實(shí)驗(yàn)可以結(jié)合檢測技術(shù)等專業(yè)課程，設(shè)置一些基于實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)， 如水箱控制系統(tǒng)及溫濕度檢測與控制系統(tǒng)等，要求學(xué)生能夠正確運(yùn)用所學(xué)的理論知識，在實(shí)驗(yàn)過程中熟悉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試方法，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生將理論應(yīng)用于工程實(shí)際的能力。在課程后期可以讓學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，開設(shè)有一定難度的創(chuàng)新及研究型實(shí)驗(yàn)。可以結(jié)合電子技術(shù)課程和電機(jī)拖動等課程，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)一個完整的控制系統(tǒng)，如倒立擺實(shí)驗(yàn)、機(jī)械臂控制實(shí)驗(yàn)等，主要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、動手分析問題解決問題以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

3.學(xué)生實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中突出學(xué)生的主體地位。緊密結(jié)合本課程以及實(shí)驗(yàn)課程培養(yǎng)目標(biāo)和計(jì)劃，設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生們學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)過程，擺脫老師演示，學(xué)生照搬的教學(xué)模式。比如“PID控制器的特性”實(shí)驗(yàn)，可以鼓勵學(xué)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(xué)生主動學(xué)習(xí)PID控制器參數(shù)的調(diào)試方法。在實(shí)驗(yàn)過程中以學(xué)生為主體，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)的每一步都由學(xué)生自己完成。適當(dāng)設(shè)計(jì)實(shí)踐過程中經(jīng)常出現(xiàn)問題的一些環(huán)節(jié)，鼓勵學(xué)生嘗試解決實(shí)驗(yàn)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(xué)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(shí)驗(yàn)過程中要充分利用Matlab等一些先進(jìn)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(qiáng)大的數(shù)值計(jì)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(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過對比實(shí)際實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（如電路模擬）和Matlab仿真的結(jié)果，學(xué)習(xí)實(shí)際工程與理論仿真之間的區(qū)別與聯(lián)系，逐步培養(yǎng)實(shí)際動手能力和計(jì)算機(jī)輔助分析能力。一些綜合性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生通過Matlab搭建仿真模型，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)控制參數(shù)，來仿真驗(yàn)證控制系統(tǒng)的可行性，培養(yǎng)將控制理論應(yīng)用到實(shí)際控制系統(tǒng)中的能力，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生對實(shí)際控制系統(tǒng)的整體把握能力和工程意識。

5.實(shí)驗(yàn)報(bào)告改革

改進(jìn)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)報(bào)告形式。改變學(xué)生花費(fèi)大量的時間抄寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的現(xiàn)狀，注重學(xué)生對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)過程、以及實(shí)驗(yàn)結(jié)論的分析和理解，留給學(xué)生足夠的思考和分析問題的時間和空間，對于基礎(chǔ)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)放在對實(shí)驗(yàn)原理的理解和對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析方面；對于綜合性實(shí)驗(yàn)，主要培養(yǎng)學(xué)生將理論知識應(yīng)用到實(shí)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(xué)生對專業(yè)知識的整體把握能力；對于創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，要注重實(shí)驗(yàn)的整體設(shè)計(jì)思想，細(xì)節(jié)部分的實(shí)現(xiàn)方法，具體的調(diào)試步驟，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，增強(qiáng)對控制理論的認(rèn)識和應(yīng)用，進(jìn)一步拓展專業(yè)知識應(yīng)用范圍，為以后的工作打下堅(jiān)實(shí)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(xué)工具、理論基礎(chǔ)、還是在研究方法上都產(chǎn)生了實(shí)質(zhì)性的飛躍，在實(shí)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(shí)驗(yàn)計(jì)劃和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時一定要注重理論和實(shí)踐相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生將控制理論應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中，通過不同類型的實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生通過專業(yè)的學(xué)習(xí)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：劉翠枝）