應(yīng)用型本科院校自動控制原理實驗教學(xué)改革與探索

黨楠

摘 要 通過分析自動控制原理實驗教學(xué)中存在的問題，探討自動控制原理實驗教學(xué)的改革措施，從改革實驗教學(xué)方法和手段、優(yōu)化實驗內(nèi)容、加強(qiáng)對MATLAB軟件學(xué)習(xí)等方面進(jìn)行探索，提高學(xué)生的實踐應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，為社會培養(yǎng)高等技術(shù)應(yīng)用型人才。

關(guān)鍵詞 應(yīng)用型本科院校；自動控制原理；實驗教學(xué)；MATLAB

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）10-0133-02

1 前言

自動控制原理是高校相關(guān)專業(yè)在課程設(shè)置中的一門必修課程，課程的主要內(nèi)容為自動控制系統(tǒng)的一般規(guī)律、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計等。教學(xué)內(nèi)容概念性強(qiáng)、信息量大，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中不好理解，很難將理論知識與實際自動控制系統(tǒng)聯(lián)系在一起，需結(jié)合相應(yīng)的實驗。學(xué)生通過實踐操作，才能更快掌握控制理論課程中的知識內(nèi)容。在具體教學(xué)環(huán)節(jié)當(dāng)中，采用實驗教學(xué)模式能夠?qū)⒗碚撆c實際進(jìn)行結(jié)合，不僅能夠培養(yǎng)學(xué)生的理論能力，更是能夠不斷提高學(xué)生的實踐水平。

該課程中的控制理論被廣泛應(yīng)用到軍事、工業(yè)、通信、交通、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等方面，不僅可以為相關(guān)專業(yè)后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)，而且能夠提高學(xué)生在面對具體問題時解決實際問題的素質(zhì)。

2 實驗教學(xué)中存在的問題

實驗教學(xué)內(nèi)容不全，新技術(shù)引入不及時 當(dāng)前，在很多學(xué)校教學(xué)當(dāng)中，由于受到客觀條件的限制，導(dǎo)致實驗器材比較落后，實驗教學(xué)的作用難以發(fā)揮；傳統(tǒng)的實驗教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)比較單一，沒有一個完整的體系，大都依課程而設(shè)，綜合性、設(shè)計性及創(chuàng)新性的實驗比較少，學(xué)生很少有發(fā)揮主觀能動性的余地。隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展，一些新技術(shù)很快被用到教學(xué)上，但實驗教材的更新遠(yuǎn)沒有跟上教育技術(shù)的發(fā)展。

缺少實踐操作 應(yīng)用型本科院校在教學(xué)中，注重根據(jù)市場對人才的需要，培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型人才，因此在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上需要加強(qiáng)實踐教學(xué)的比重。自動控制原理實驗內(nèi)容大部分是驗證性的，孤立而不連貫，而實驗方式也大多是讓學(xué)生按指定的步驟去做。由于參與實驗的人數(shù)比較多，而學(xué)校提供的器材比較少，因此導(dǎo)致學(xué)生親自動手的機(jī)會少，時間比較零散。學(xué)生的動手能力得不到實質(zhì)上的提高，導(dǎo)致理論基礎(chǔ)與實際控制系統(tǒng)的操作相脫節(jié)，更談不上創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不利于應(yīng)用型人才的發(fā)展，是傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式的通病。

實驗教學(xué)設(shè)施陳舊 實踐教學(xué)場所短缺，實驗設(shè)備陳舊。在實驗過程中，由于線路老化，學(xué)生需要反復(fù)調(diào)試、檢驗，才能得出結(jié)果。這樣消耗時間長，難免會大大降低學(xué)生的積極性。

3 自動控制原理實驗教學(xué)改革方案

針對現(xiàn)存自動控制原理實驗教學(xué)方案的不足之處，在現(xiàn)有的實驗教學(xué)的基礎(chǔ)之上，優(yōu)化實驗內(nèi)容，增加相關(guān)軟件的學(xué)習(xí)應(yīng)用及實際控制系統(tǒng)的動手實踐操作，做到知識與運用并重，理論與實際結(jié)合，形成多角度、多層次、多元化的教學(xué)體系。

改革實驗教學(xué)方法和手段 在當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)信息時代，應(yīng)用型本科院校應(yīng)該改變傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式，應(yīng)把多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到自動控制原理實驗教學(xué)課件中。如利用Authorware、Photoshop、PowerPoint等軟件制作圖文結(jié)合的實驗教學(xué)課件，通過課件來演示實際控制系統(tǒng)的工作過程，易于學(xué)生理解，同時可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。將實驗室安排信息發(fā)布在學(xué)校網(wǎng)絡(luò)平臺上，方便學(xué)生信息查詢及使用，提高實驗室使用效率。

優(yōu)化實驗內(nèi)容 從自動控制原理實驗教學(xué)大綱入手，不斷優(yōu)化實驗教學(xué)內(nèi)容，在原有實驗教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和完善，加強(qiáng)設(shè)計性、綜合性實驗。讓學(xué)生參與實踐課題的全過程，從而得到一個完整系統(tǒng)的全面培訓(xùn)。教師給出實驗?zāi)康摹嶒炓蠛蛯嶒灄l件，讓學(xué)生自行設(shè)計內(nèi)容并得出結(jié)果，目的是訓(xùn)練學(xué)生綜合應(yīng)用課程知識來解決實際問題的能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識，使他們的綜合素質(zhì)得到提高。

商洛學(xué)院為學(xué)生設(shè)計了完整的實驗教學(xué)訓(xùn)練體系，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

首先，階段性培訓(xùn)。實驗教學(xué)內(nèi)容采用單元式或模塊化的結(jié)構(gòu)體系，從易到難，由局部到整體進(jìn)行分段培養(yǎng)，如二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)實驗、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析實驗等驗證性實驗。

其次，設(shè)計性培訓(xùn)、綜合性培訓(xùn)，如虛擬儀器設(shè)計實驗，控制系統(tǒng)設(shè)計、分析實驗等。

加強(qiáng)對MATLAB軟件的學(xué)習(xí) 針對在控制系統(tǒng)分析、建模、求解過程中計算量的復(fù)雜程度，應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生對MATLAB軟件的學(xué)習(xí)，引入MATLAB語言輔助教學(xué)，幫助學(xué)生解決復(fù)雜的計算難題。如在控制系統(tǒng)辨識算法模型仿真的問題上，MATLAB能夠快速計算并有效顯示出模型的狀態(tài)信息。下面對基本隨機(jī)梯度下降辨識算法（SG）進(jìn)行仿真。

系統(tǒng)輸入為M序列，所加噪聲為白噪聲，σv=0.05，信噪比SNR=26.159。仿真模型為時滯誤差輸出模型：

其中，[a1，a2，b1，b2，d]=[-1.385，0.472 4，0.324 6，0.237 5，

16]。對模型在MATLAB軟件上進(jìn)行仿真，結(jié)果如下：

當(dāng)k=50時，a1=-0.102 39，a2=-0.047 16，b1=-0.202 46，

b2=0.010 39，d=0，err=99.989%，SNR=26.113；

當(dāng)k=100時，a1=-0.145 65，a2=-0.056 809，b1=-0.336 17，

b2=0.015 68，d=0，err=99.982%，SNR=26.113；

當(dāng)k=500時，a1=-0.548 02，a2=-0.355 14，b1=-0.309 81，

b2=0.118 5，d=0，err=93.565%，SNR=26.113；

當(dāng)k=1000時，a1=-1.175 9，a2=0.263 4，b1=0.235 99，endprint

b2=0.478 87，d=1，err=93.363%，SNR=26.113；

……

由于運行結(jié)果數(shù)據(jù)較多，這里只選取幾個特殊點的運行結(jié)果進(jìn)行概述。

通過運用MATLAB對系統(tǒng)辨識模型辨識算法的仿真分析，快速準(zhǔn)確地表明了系統(tǒng)的參數(shù)及狀態(tài)信息。在自動控制原理實驗教學(xué)中引入MATLAB軟件教學(xué)，可以將抽象的問題具體化，簡化問題求解過程，不但能加深學(xué)生對課程內(nèi)容的理解和掌握，而且能提高學(xué)生的實際動手能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程、這門學(xué)科的熱情。

開放實驗教學(xué) 為了擴(kuò)大學(xué)生的發(fā)展空間，增加學(xué)生的發(fā)展機(jī)會，實行實驗室開放制度。向?qū)W生全面開放，不管是從實驗實踐、內(nèi)容還是教學(xué)形式，增加學(xué)生實際控制系統(tǒng)的動手操作。為學(xué)生建設(shè)專門的虛擬實驗室，如MATLAB

計算機(jī)虛擬仿真實驗室、微機(jī)控制實驗室和PLC控制實驗室等。讓學(xué)生在虛擬實驗室進(jìn)行上機(jī)操作，在掌握了自動控制原理課程理論知識的前提下，邊復(fù)習(xí)理論邊實踐，使其加深對該課程的理解。由基礎(chǔ)實驗逐漸過渡到綜合性、設(shè)計性實驗，訓(xùn)練學(xué)生掌握扎實的基本技能后，培養(yǎng)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和設(shè)計能力。開放式的實驗平臺，可以讓學(xué)生不受固定模式約束地發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力。

調(diào)整實驗教學(xué)課時 自動控制原理實驗課程是一門實踐性非常強(qiáng)的課程，通過實驗操作，學(xué)生應(yīng)該掌握控制模擬實驗的基本原理，控制系統(tǒng)時域性能指標(biāo)的測量方法，學(xué)會根據(jù)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線確定傳遞函數(shù)，對給定系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計等。學(xué)生要徹底掌握知識，就必須要保證實踐與理論教學(xué)工作相互結(jié)合，提高實驗教學(xué)比重。因此，在具體教學(xué)當(dāng)中，教師需要根據(jù)教學(xué)需要在人才培養(yǎng)目標(biāo)的指導(dǎo)下增加課時，此外要有目的性地引導(dǎo)學(xué)生在課外進(jìn)行學(xué)習(xí)。

4 結(jié)語

自動控制原理實驗教學(xué)環(huán)節(jié)是應(yīng)用型本科院校課程教學(xué)體系中的重要組成部分，只有不斷提高教學(xué)質(zhì)量、完善教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性能力，才能培養(yǎng)出適應(yīng)社會的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才。

參考文獻(xiàn)

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