基于新工科的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索

姜 輝，向 榮，李 珊，羅 瀛

（1.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004 2.桂林電子科技大學(xué)教學(xué)實(shí)踐部，廣西 桂林 541004）

0 引言

近年來(lái)，各類科技發(fā)展呈現(xiàn)出爆炸式的發(fā)展趨勢(shì)，第四次工業(yè)革命已悄然開(kāi)啟；為在第四次工業(yè)革命中搶得先機(jī)，世界主要國(guó)家都推出了一系列的科技發(fā)展規(guī)劃。我國(guó)政府為主動(dòng)應(yīng)對(duì)新技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，2015年提出了“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略，2021年發(fā)布了《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》。2017年，新工科專業(yè)建設(shè)正式提出，推動(dòng)我國(guó)工程教育發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新階段。工科各類專業(yè)與制造業(yè)息息相關(guān)，要想把我國(guó)從制造業(yè)大國(guó)建設(shè)成為制造業(yè)強(qiáng)國(guó)，必須要有各類人才的支撐，因此新工科建設(shè)對(duì)于“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的成功實(shí)施有著重要的意義，為“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略提供強(qiáng)有力的人才支撐[1-4]。

新工科建設(shè)除了設(shè)立一些符合技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的新興專業(yè)，也要求對(duì)現(xiàn)有的工科專業(yè)進(jìn)行升級(jí)改造。自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器、機(jī)器人工程等專業(yè)作為新工科建設(shè)專業(yè)，必須符合新工科專業(yè)建設(shè)的要求，而自動(dòng)控制原理課程作為這些專業(yè)的專業(yè)必修課，同樣需要滿足新工科專業(yè)建設(shè)的要求[5][6]。本文將以我校自動(dòng)化和測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)開(kāi)設(shè)的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課程為對(duì)象，提出并探討符合新工科專業(yè)建設(shè)要求的教學(xué)內(nèi)容。通過(guò)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與不足

自動(dòng)控制原理課程涉及多種學(xué)科，理論性強(qiáng)，學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的接受度低。目前，我校的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課程主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)箱完成，由四個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和一個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)構(gòu)成。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)偏多導(dǎo)致學(xué)生自由發(fā)揮的空間小，制約了學(xué)生創(chuàng)新思維的激發(fā)。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為控制系統(tǒng)校正設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容為設(shè)計(jì)校正裝置對(duì)二階/三階系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正。在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，二階/三階系統(tǒng)由運(yùn)放單元模擬代替，并不是實(shí)際的控制對(duì)象，因此學(xué)生缺乏對(duì)實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路和實(shí)際控制對(duì)象的認(rèn)知，不利于提高學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

2 改革的必要性

隨著技術(shù)不斷發(fā)展，各種設(shè)備的智能化是必然的趨勢(shì)，其智能化程度也必然會(huì)越來(lái)越高，對(duì)自動(dòng)控制的要求也必然會(huì)越來(lái)越高，對(duì)高校自動(dòng)控制原理課程教學(xué)的要求也會(huì)越來(lái)越高。怎樣做好高校自動(dòng)控制原理課程教學(xué)值得相關(guān)教學(xué)人員去思考。我校自動(dòng)化和測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)已獲得國(guó)家一流建設(shè)專業(yè)，由于當(dāng)前自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容不能完全滿足新工科專業(yè)建設(shè)和國(guó)家一流建設(shè)專業(yè)的要求，因此針對(duì)教學(xué)內(nèi)容的改革是必要的，迫切需要的。改革的目標(biāo)是使學(xué)生有足夠自我發(fā)揮的空間，訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革

針對(duì)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)偏多和缺乏實(shí)際控制對(duì)象的不足，本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：一是模擬PID閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，二是模擬PID閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖1為模擬PID閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)框圖，框圖中的控制對(duì)象為真實(shí)的PTC發(fā)熱片，其他各個(gè)單元均為實(shí)際應(yīng)用電路。實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先按照?qǐng)D1中的系統(tǒng)框圖搭建模擬PID閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，然后通過(guò)改變?cè)O(shè)定值，可實(shí)現(xiàn)不同溫度的控制，通過(guò)調(diào)整PID參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)多種控制效果。

圖1 模擬PID閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)框圖

圖2（P193）為模擬PID閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)框圖，框圖中的控制對(duì)象為真實(shí)的小型直流電機(jī)，其他各個(gè)單元均為實(shí)際應(yīng)用電路。實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先按照?qǐng)D2中的系統(tǒng)框圖搭建模擬PID閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，然后通過(guò)改變?cè)O(shè)定值，可實(shí)現(xiàn)不同速度的控制，通過(guò)調(diào)整PID參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)多種控制效果。

圖2 模擬PID閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)框圖

圖3為模擬PID調(diào)節(jié)器，通過(guò)改變對(duì)應(yīng)的電阻，可實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的調(diào)整。

圖3 模擬PID調(diào)節(jié)器

圖4為各實(shí)際應(yīng)用電路單元。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇對(duì)應(yīng)的單元電路搭建控制系統(tǒng)。

圖4 各實(shí)際應(yīng)用電路單元

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的效果

新設(shè)計(jì)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，均采用實(shí)際的應(yīng)用電路和真實(shí)的控制對(duì)象，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容盡可能貼近真實(shí)的工程應(yīng)用。在2021-2022-1學(xué)期，實(shí)施了新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果同以往對(duì)比，展示出實(shí)驗(yàn)完成度有所提高的同時(shí)實(shí)驗(yàn)完成所需時(shí)間有所減少。實(shí)驗(yàn)報(bào)告反饋出學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制原理的理解更進(jìn)了一步。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，根據(jù)新工科專業(yè)建設(shè)和國(guó)家一流建設(shè)專業(yè)的要求，分析當(dāng)前自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足之處，有針對(duì)性的設(shè)計(jì)并實(shí)施了兩個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果表明，改革后的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制原理課程的理解，訓(xùn)練了學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高了學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，達(dá)到了預(yù)期效果。