分階段的自動控制原理實驗教學改革探討

溫素芳，王志和，肖志云

（內蒙古工業大學電力學院，內蒙古 呼和浩特 010080）

《自動控制原理》是我院自動化、電氣工程及其自動化專業的一門重要的專業基礎課程，在整個專業知識體系中占據非常重要的地位，不但為后續《現代控制理論》《計算機控制技術》和《過程控制系統》等本科生專業課程提供理論基礎和分析設計方法，也是《智能控制》《線性系統理論》和《自適應控制》等研究生課程的基礎。通過本課程的學習，使學生掌握用系統的觀點分析問題和解決問題，對于工程實踐具有重要的指導作用。

《自動控制原理》課程理論性較強，有一定的深度和學習難度，學生在學習過程中容易感到枯燥乏味，產生厭學情緒，而實驗教學是保證課程教學效果的重要部分，是更好地實現理論和實際有機結合的橋梁，是將知識轉化為能力的重要環節。搞好實驗教學，不僅可以使學生對所學理論知識有更深刻的理解和把握，有效地提高教學質量，同時對培養學生嚴謹的科學態度，提高思維能力、動手能力、設計水平和創新精神起著重要的作用，更好地滿足工程教育專業認證背景下，社會對工程領域人才的要求。因此，實驗教學是課程建設的一個重要方面。

1 傳統實驗課程現狀

傳統自動控制原理實驗采用電子模擬實驗箱，即由模擬實驗裝置加上示波器，在實驗箱面板上連接相應的典型環節或系統，通過示波器觀察系統的響應曲線及各項指標。當前的實驗內容固定，主要是按章節進行驗證性實驗，實驗儀器功能固定，實驗只能按照指導書設計好的步驟進行，測數據，觀察實驗現象，完成實驗。雖然這種方式可以在一定程度上提高學生的動手能力，加深對課堂所學內容的理解，但由于實驗時間限制，一般要求在實驗室2個學時內完成，少部分學生在規定的時間內完成不了，就容易敷衍了事。另外，此實驗缺少實際控制對象，學生對控制系統沒有直觀認識，對出現的問題缺少系統、多角度的分析，因此，在一定程度上限制了學生的主動性和積極性，難以激發他們獨立分析問題、解決問題的激情，不利于學生創新能力的培養，對提高實踐能力的作用也是有限的，因此對該課程實驗進行教學改革是十分必要的。

2 分階段的實驗教學模式

2.1 課前增加演示實驗

緒論是《自控控制原理》課程的第一課，主要介紹一些基本的概念、系統的組成和原理以及對控制系統的基本要求等，但常規的講解結束后，大部分學生對這門課程的主要任務不是很明確，所以我們要從緒論入手，給學生做幾個演示性實驗，利用演示實驗導入教學，培養學生的學習興趣。

目前我們學院采購的演示實驗設備有磁懸浮系統、板球系統、球桿系統、吹擺系統和便攜式倒立擺系統，實驗設備如圖1所示，我們可以用演示實驗創設教學情景，有了具體的控制對象，學生對控制系統有一個直觀的認識，使學生對課程產生好奇心，促使他們積極地思考，產生一些疑問，并且渴望得到解決。這樣主觀上就有了想了解該課程的學習內容和在實際中應用的愿望，就能帶著強烈的求知欲和濃厚的興趣來學習這門課程，而且這些演示實驗裝置可以作為后續的實驗項目。

圖1 演示實驗裝置

2.2 課程教學期間模擬實驗和仿真實驗相結合

可以將自動控制原理模擬實驗與MATLAB仿真實驗相結合，做到以下幾點：

（1）引入仿真實驗，豐富預習的形式。以往學生預習實驗都是把實驗指導書的內容抄一遍，大部分學生不知道實驗的最終正確結果和結論，有了仿真軟件，可以讓學生在做模擬實驗之前先做仿真實驗，加深對實驗內容的理解和掌控，更加有效的預習實驗，大大提高實驗效率，取得良好的實驗效果。

（2）克服了現有設備的缺陷。利用MATLAB軟件很容易實現相關參數的改變，學生更加方便、直觀地看出參數變化對系統的影響。例如在做校正實驗項目時，由于我們實驗箱用于擴展的地方有限，很難滿足學生設計的不同的校正電路參數，而利用MATLAB軟件，學生可以按照自己的設計方法，得到校正前后系統的單位階躍響應曲線。

（3）擴充模擬實驗沒有的項目。例如高階系統的閉環主導極點的性質，根軌跡部分傳遞函數的零極點對系統根軌跡以及過渡過程的影響等內容無法進行實驗，就可以進行仿真實驗研究。

（4）部分實驗結果可以作為教師的課堂教學內容，在理論教學過程中融入MATLAB仿真教學，這不僅增強了分析過程和分析結果的可視性，讓控制理論不再僅僅是書本上枯燥的公式推導和抽象的圖表，讓抽象的理論變得直觀易懂。

2.3 課程結束后集中課程設計

課程設計是一種綜合訓練，能將課程所學的知識串聯到一起，包括數學模型的建立、性能的分析、控制器的設計。但課程設計要將具有工程背景的實物系統作為實驗命題，將抽象的沒有任何物理含義的傳遞函數與被控對象的物理概念在學生的頭腦中聯系起來，控制系統數學模型的參數有了物理意義，評價系統優劣中的穩、快、準有了具體的含義，學生在設計時不是僅僅考慮實驗結果能否滿足給定的指標要求，而是要考慮能否讓控制系統更好地工作，在一定程度上培養了學生的工程意識，進一步培養學生的工程實踐能力，否則面對實際控制任務，依然不知該如何應用所學知識解決實際問題。

例如設計一個爐溫自動控制系統，控制對象是電廠的加熱爐還是家用的水壺，考慮的指標和方法都不一樣。針對該控制對象將自動控制理論的知識分模塊有步驟地展開研究。在這個過程中，學生會向自己提出一個又一個的問題，并為解決這些問題不斷地收集資料、整理資料，主動、自行地安排自己的學習，對許多知識有了更深入的認識和理解，有利于培養學生分析、解決問題的能力，對知識的理解上升到了一個新的高度。

2.4 開放實驗

以班組為單位的實驗模式不能滿足不同個性、不同水平學生的需求，開放實驗室是一個很好的辦法，為學有余力和感興趣的同學提供獨立的思維空間和足夠的操作時間。目前我們實驗室可開設的 部分實驗項目列表1所示，其中每一個實驗能把所學的數電、模電、檢測技術等硬件知識，以及自動控制原理、程序設計和編制等軟件知識綜合運用，將自動控制與其他課程結合，做到對知識的延伸，讓學生真正理解所學課程與其他課程的關聯性，也能加深學生對本專業的認識，使他們在實驗室體驗到研究的樂趣，提高了學生主動探索專業知識的能力和科研素養，提高對控制系統的全面分析和綜合設計能力。

表1 開放實驗項目

3 結語

本文分析了傳統實驗教學的不足，針對《自動控制原理》課程的特點提出了分階段的實驗模式。通過課前增加演示實驗，激發學生學習的興趣和動力；在理論課教學期間實行電子模擬實驗和軟件仿真實驗相結合，彌補了實驗箱實驗的不足，還可以直觀理解抽象的理論知識；課后組織具有工程背景的課程設計，把所學的各部分知識串聯到一起，培養了學生的工程意識；最后，學有余力的學生可以選作一些開放實驗，提高學生的綜合實踐能力。這種從低到高，從接受知識到培養綜合能力的分階段實驗新體系，符合學生的認知習慣，學生的思維能力、實踐能力得到良好的訓練，從整體上培養學生綜合應用知識的能力,從而滿足工程教育專業認證背景下，社會對工程領域人才的要求。