“新工科”培養模式下自動化專業綜合實驗構建

張 倩，李 明，王 軍，李海港

（中國礦業大學 信息與控制工程學院，江蘇 徐州 221116）

“新工科”的內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才，具有戰略型、創新性、系統化、開放式的特征[1-2]。為了滿足高校人才培養方面的迫切要求，要求學生具有系統的工程實踐學習經驗，具備設計和實施工程實踐的能力，并能對結果進行分析[3]。通過實驗可以加深對理論知識和基本概念的直觀理解，提高動手能力，激發創新思維[4-5]。實驗教學的新理念、新模式，有利于自動化專業創新型人才培養。目前自動化專業實驗還存在一些問題：其一，實驗課程多數是由相應的理論課教師指導完成，各個課程之間缺少溝通，尤其是課程內容方面[6]；其二，實驗對象、內容單一，教學內容與實際應用聯系不緊密，實驗課結束后，絕大部分學生對于如何設計控制器、控制系統是如何工作的、如何改變系統的特性等常見工程性問題仍舊一無所知[7]。

為了培養學生理論聯系實際的綜合能力，使學生在校期間能夠受到良好的工程實踐鍛煉，具有一定分析、研究、解決問題能力和實際設計、操作能力，必須改革實驗教學手段，增設應用性非常強的設計型教學環節，不斷補充和完善教學內容[8]。結合新自動化專業的設立，在原有課程實驗課的基礎上新增獨立設課的實驗課程“控制系統綜合設計與實驗”。

1 “控制系統綜合設計與實驗”教學模式構建

“控制系統綜合設計與實驗”作為一門獨立設課的實驗課程開設于第5 學期，16 學時，緊隨“自動控制原理”和“計算機控制技術”這2 門專業主干課程之后，開設的目的是將“自動控制原理”“微機原理與應用”“計算機控制技術”“電力電子技術”等前期學習的課程知識融會貫通，并借助具體的實驗對象，構建控制系統的整體概念。

針對這種融合多門課程知識點并有相當的工程應用背景的實驗課程，如何通過對理論知識的學習，培養學生對控制系統的分析設計能力、工程實踐能力和創新能力，是教師講授和學生學習過程中所面對的主要問題[9]。本文以“控制系統綜合設計與實驗”課程為對象，就如何加強實驗課程建設、構建綜合實驗環境及在開放性實驗中開展適應“新工科”發展需求的人才培養問題進行探索與研究，對課程的教學內容、教學方案及教學模式等方面進行改革。

2 分層次的培養模式

以“發展個性、因材施教”為基本原則，以“分層培養、啟發創新”為基本教學思路，以培養學生的創新能力、提高學生的實踐能力為核心，從人才培養的目標出發，創建多元化的培養模式，提高教學質量，促進優秀生脫穎而出[10-11]。建立不同層次的實驗項目，加強項目開發，提高學生的實踐能力。

以倡導學生自主性學習為目的，精選實驗內容，增加設計性和綜合性實驗，將實驗劃分成命題式必做實驗和提高性選做實驗，給學生發展個性、開拓思維留有一定的空間。實驗項目要包括基礎實驗、綜合實驗和創新實驗，以學生為主體，充分發揮學生的主觀能動性，教師在項目中做好輔助和指導，設計大致的技術路線或者目標，由學生自己了解背景知識，并自行設計實驗的具體方案，然后進行操作。學生形成具體的實驗目標后，由學生和教師共同討論，使用新的方案進行實驗。在實驗中，發揮學生的創造性，擴展思維活動空間，提高學生的學習興趣。

以加深學生對自動控制系統和計算機控制系統概念與工作原理的理解，以及對各種控制效果有更直觀的認識來設計實驗內容。讓學生以直流伺服電機和加熱銅塊作為被控對象，自主選擇一種控制量，在實驗室現有的實驗設備NG-PTCS-01 的基礎上搭建系統的硬件平臺，自主選擇控制方式（PID 控制、最小拍控制、Smith 預估控制、單神經元控制、模糊PID 控制等），研究其在不同控制方式下被控量或某種規律的變化情況，并結合所學理論知識對結果或現象進行詳細的分析討論，撰寫實驗報告。針對學有余力的學生或者對此課程實驗感興趣的學生，增設選做性實驗項目，讓學生以組為單位自主設計實驗內容、討論實驗方案、論證實驗可行性并進行實驗操作。以啟發式教學為主，輔以討論式教學，啟迪學生的創造性思維。具體實驗內容及要求見表1。

表1 實驗內容及要求

3 控制系統軟硬件實驗平臺

控制系統已被廣泛應用于人類社會的各個領域，在工業方面，對于冶金、化工、機械制造等生產過程中遇到的各種物理量，包括溫度、流量、壓力、厚度、張力、速度、位置、頻率、相位等，都有相應的控制系統[12]。實驗設備需要大量資金的投入，而且實驗體系的建立和維護也需要大量的人力成本投入。由于目前沒有能力去購買大型的控制系統實驗裝備，所以我校實驗室現有的實驗設備不能體現控制系統的廣泛性。

本實驗系統選擇直流伺服電機和加熱銅塊作為被控對象，以STC12C5 系列單片機為核心模塊，外圍由通信模塊、驅動模塊、直流電機、加熱銅塊、測量模塊以及上位機應用軟件等組成，如圖1 所示。

圖1 整體系統結構圖

被控對象由直流電機調速系統與加熱銅塊溫度控制系統組成，驅動模塊采用L298N 橋式全控整流芯片恒流大功率模塊，實現對直流電機、加熱片的驅動。直流電機調速系統包括驅動模塊、直流電機、光電編碼器、負載裝置。直流電機為385PH16140 直流電機，額定電壓為12 VDC，額定功率為24 W，速度傳感器為光電編碼器，利用采集到的脈沖數計算實際的轉速。加熱銅塊溫度控制系統包括驅動模塊、加熱銅塊、數字式溫度傳感器和微型風扇。加熱銅塊采用自主設計的快速導熱銅塊（銅塊+加熱墊片），獨特的結構設計使其可以快速升溫。被控對象實物如圖2 所示。

圖2 被控對象實物

上位機應用軟件是基于Visual Studio 2012 平臺，利用Measurement Studio 工具箱開發的，分為主界面、速度控制系統、溫度控制系統3 個界面，主要功能包括實驗選擇、通信設定、設定值輸入、轉速/溫度顯示、數據保存等。上位機界面如圖3 所示。

圖3 上位機界面

利用采集的數據借助Matlab 軟件進行模型辨識，利用模型辨識實驗中得到的對象模型參數設計控制器，進行控制器設計仿真實驗，然后得到較為理想的仿真曲線，極大地方便實驗人員的開發與操作。

4 控制系統綜合設計與實驗的開放教學

由于實驗教學的內容、模式以及學時等方面因素的影響，實驗設備的利用率較低，實驗課程的學習效果較差[13]。為此，本文將研究開放式的實驗教學模式，設置開放性實驗，方便學生完成實驗的設計和調試，為實驗的順利進行提供場地、設備、技術服務的保障。實行實驗網上選課、預約開放，內容開放做到課內實驗必做與選做相結合，同時允許學生自擬實驗題目，為學生提供必要的元器件及實驗耗材，最大限度地滿足學生的實驗要求。

首先，學生提交實驗的詳細設計方案，包括實驗目的、理論分析、實驗步驟等；其次，教師對方案的可行性予以評估分析，并給出相應的指導意見；最后，方案可行的學生可自主向實驗室提出申請，教師統籌安排實驗時間，給學生提供充裕自由的時間和良好完善的條件進行實際系統的設計、搭建、驗證、分析等。通過對實際生產過程的分析、模擬及其控制方案的確定、實施，訓練學生的工程素質，提高其綜合利用不同學科知識和獨立解決問題的能力。

5 結語

實驗教學的最終目標是培養適應經濟建設和社會發展的高層次、高素質人才。傳統實驗課程的教學內容與方法，僅僅是讓學生在實驗過程中按部就班進行操作，無法發揮學生的主觀能動性。為了滿足高校人才培養方面的迫切要求，本文根據目前自動化專業方向和學生的實際情況，以進行“新工科”培養模式下創新人才培養為目標，建立具有實際工程價值的綜合實驗平臺，著力把“控制系統綜合設計與實驗”課程建設得更加優秀，使學生在校期間能夠受到良好的工程實踐鍛煉，具有一定分析、研究、解決問題能力和實際設計、操作能力，以培養出更多高素質的畢業生，為學生走上工作崗位打下堅實的實踐基礎。