基于軟硬件相結合的自動控制原理綜合實驗教學改革

摘 要：自動控制原理綜合實驗是應用型本科院校自動化類專業的核心基礎課程。該課程將MATLAB語言仿真分析和NI ELVIS硬件平臺應用于實驗教學中，形成軟硬件相結合的實驗教學模式，激發了學生對自控原理課程的興趣與熱情，降低了自動控制原理的復雜性與抽象度；同時，引入過程性和綜合性評價考核機制。經過改革，實驗教學顯著提升了學生的學習興趣，增強了學生的實踐操作能力、工程意識與專業素養。

關鍵詞：自動控制原理 實驗教學 MATLAB 軟硬件

0 引言

自動控制原理是應用型本科院校自動化、機器人工程等專業的核心基礎課程，它在該類專業的知識體系中起著連接基礎知識與專業知識的橋梁作用[1]。該課程特色鮮明，理論性強，知識面廣泛，內容豐富，具有一定的深度，學生往往難以將理論知識與實際操作緊密聯系起來[2-3]。實驗教學作為本課程的重要組成部分，是實現理論與實際相結合的關鍵環節。對于應用型本科院校的自動化類專業教師而言，通過精心設計與實施實驗教學策略，我們旨在超越傳統界限，不僅加深學生對理論知識的內化程度，更著重于培育他們初步具備分析復雜系統與設計有效控制系統的能力[4-5]。通過實驗環節的練習，學生可以更深入地理解課程的核心內容和物理現象的機理，從而激發學習熱情，提升學習的主動性和自覺性。

1 軟件實驗教學改革

在實驗教學中引入MATLAB，通過簡單的控制命令或Simulink工具進行仿真，能夠將抽象概念具體化，使學生直觀地觀察到實驗結果，從而顯著提升教學效果。在時域分析中，鑒于系統輸入輸出信號隨時間的動態變化特性，引入MATLAB語言作為教學工具，學生能夠靈活運用多種動態顯示，將原本抽象的函數轉化為直觀可視化的圖表與曲線；不僅極大地增強了教學內容的直觀性，還有效破解了理論學習中普遍存在的抽象化難題，使學生能夠更直觀地把握信息在時間維度上的演變規律，從而深化對時域分析原理的理解與應用能力。

對于典型的二階系統，其閉環傳遞函數形式為：Φ（s）=，在本例中，我們設定自然頻率ωn=2，并選取阻尼比 ζ 的五個不同值：0、0.25、0.5、1、2，以觀測系統對這些參數變化的響應特性。通過單位階躍響應的仿真，我們可以獲得如圖1（a）所示的仿真結果。實驗結果顯示，在 ζ 設置為0.5的條件下，系統輸出了最佳響應。為了深入探索ωn參數對系統性能的具體影響，我們保持ζ恒定在0.5，并選取了ωn的幾個關鍵值（2、4、6、8、10）進行單位階躍響應的觀測，實驗結果詳見圖1（b）。

通過分析仿真數據，在ωn保持不變的前提下，系統的動態行為隨著其內部阻尼特性的自然演變（從欠阻尼經臨界阻尼至過阻尼）而顯著變化。具體而言，隨著 ζ 理論上的增大趨勢，系統會表現出超調量的減少、上升時間的延長以及響應速度的減緩，同時穩定性得以增強。

當 ζ 固定為0.5時，ωn的增加直接促進了系統性能的提升。具體表現為，系統達到峰值的時間顯著縮短，上升時間也隨之減少，這直接加速了系統的響應時間。同時，調節時間的縮短進一步證明了系統對輸入變化的快速適應能力。綜上所述，通過調整ωn的值，我們可以保持 ζ 在最優（0.5）的基礎上，進一步優化系統的動態響應特性，實現更快的響應速度和更高的穩定性。

2 硬件實驗教學改革

河南工學院斥資逾140萬元，成功構建了依托高性能模塊化虛擬儀器的自動控制原理實驗教學實驗室。該實驗室的核心在于NI ELVIS硬件平臺與LabVIEW軟件環境的深度集成，這一組合為自動控制原理課程的實驗教學革新奠定了堅實的物質基礎。其獨特優勢在于，NI ELVIS不僅集成了多樣化的標準儀器功能，還高度兼容LabVIEW軟件，師生可以根據教學需求，靈活開發定制化的實驗項目。更重要的是，這種軟硬件協同工作的模式，為學生創造了一個極具靈活性和擴展性的實驗探索空間。學生不僅能夠利用現有資源完成基礎實驗，還能在LabVIEW平臺上發揮創意，設計并實施更為復雜、前沿的實驗方案，從而極大地促進了理論知識與實踐能力的深度融合，為培養創新型工程技術人才提供了有力支撐。

以典型的二階系統穩定性分析為例，深入探討實驗課程教學的改革創新，旨在通過實踐加深理論知識的理解，并促進學生跨學科思維的發展。

2.1 實驗設計

在二階系統穩定性分析的實驗中，首先強調的是實驗設計與理論模型的緊密結合。學生需依據實驗指導書中提供的二階系統模擬電路圖，深入理解其電路原理與動態特性。此過程鼓勵學生探索不同的接線方案，只要能夠準確再現理論電路的功能即可，這不僅提高了學生的電路分析能力，也讓他們在實踐中體會到自控原理與數學、物理等基礎課程之間的緊密聯系，促進了跨學科知識的融合與應用。

2.2 實物連線

實驗課程的改革聚焦于實踐操作的深度與廣度，旨在通過親手搭建控制系統模擬電路的過程，學生結合電路模擬圖進行實物連線，還有助于學生在腦海中建立起更加清晰、直觀的電路模型，通過親手連線，學生能夠將抽象的電路圖轉化為具體的物理實體，這一轉化過程極大地促進了理論知識與實踐操作的融合。

2.3 軟件設置

采樣率類型選定為“單次采樣”，此設置有助于捕捉系統在特定時刻的瞬態響應，減少數據冗余，提高分析效率。采樣率設置為1K，這一數值的選定基于實驗需求與系統特性，旨在平衡數據精度與采集速度，確保能夠準確反映系統動態變化。設置采樣長度為4K，該長度的選擇考慮了實驗數據的完整性與處理效率，既能滿足分析需求，又避免了不必要的資源消耗。在信號源配置方面，將信號幅值設定為1。最后，點亮“信號輸出”按鈕，啟動信號源向系統發送階躍信號，觸發實驗過程。圖3為實驗平臺軟件設置界面。

2.4 階躍響應分析

實驗教學的創新聚焦于學生自主探究與系統性能深度理解。學生首先通過虛擬儀器實驗箱構建控制系統的硬件模型，隨后在實驗軟件中精準配置參數并啟動實驗，實時觀測由NI ELVIS硬件電路板輸出的階躍響應波形。此過程中，若實驗結果未能符合預期標準，學生需主動調整電路配置或優化參數設置，并反復迭代實驗直至獲得滿意結果。

圖4為NI ELVIS硬件電路板輸出的階躍響應波形，（a）為R=10K響應曲線，（b）為R=49.9K響應曲線。通過波形分析系統的性能，可以直觀地感受和理解系統的“穩定性”、“快速性”及“準確性”。學生在掌握基礎實驗后，可以自由探索，通過調整數據獲得不同圖像，并從各種曲線分析中深入理解系統性能，同時，圖像分析有助于更好地闡釋和應用理論知識。

3 實驗教學實施成效

長期以來，實驗課程的評價體系主要依賴于教師的考勤記錄與實驗報告的審閱，這種傳統模式在驗證性實驗中尤為顯著，其結果單一且易于預測，不料卻為部分學生提供了投機取巧的空間。一些“策略性學習者”敏銳地捕捉到這一制度性缺陷，導致了一種現象：課堂出勤率雖居高不下，但部分學生在實驗環節中卻扮演起了“隱形人”的角色，僅僅走個過場，課后則通過復制粘貼他人的實驗成果或報告，輕松獲取與那些真正投入實驗、獨立思考的學生相近的分數。顯然，這種考核方式無法全面、公正地衡量每位學生的實驗能力與學習態度。

為了破解這一困境，我們實施了實驗考核體系的全面革新，旨在構建一個多維度、立體化的評價體系，新體系不僅保留了實驗操作與實驗報告的核心地位，分別賦予其35%和30%的權重，以直接反映學生的實踐技能與總結能力；還創新性地引入了實驗預習（20%）作為前置評估環節，強調預習對于提升實驗效率與理解深度的重要性。此外，特別增設了附加成績（15%），這一部分涵蓋了實驗過程的即時反饋、同學間的合作表現，以及實驗后的答辯交流等多元化指標，旨在全面捕捉學生在實驗全周期中的學習態度、團隊協作與批判性思維能力。

通過這一改革，我們期望能夠更加精準地刻畫每位學生的實驗學習軌跡，避免“一刀切”的評價方式所帶來的不公平現象。

圖5為歷年自動化專業4組學生實驗成績對比分析結果，數據清晰地展示了改革后學生成績的分布變化，不僅整體成績水平有所提升，更重要的是，成績分布更加合理，有效區分了不同學習態度和努力程度的學生，為教學質量的持續改進提供了有力依據。

4 結語

將MATLAB語言和NI ELVIS硬件平臺應用于自動控制原理實驗教學中，跨越了MATLAB語言、NI ELVIS硬件平臺與自動控制原理課程之間的界限，還為學生打開了一扇通往知識深度與廣度的新大門。這種軟硬件結合的教學模式的變革，激發了學生對自控原理課程的興趣與熱情，使得原本難以捉摸的理論概念變得觸手可及。學生不再滿足于書本上的知識，而是渴望通過編程和實驗去探索更多的未知領域，這種積極的學習態度，無疑將為他們未來的學術研究和職業生涯奠定堅實的基礎。

基金項目：河南工學院教育教學改革研究與實踐項目“基于軟硬件相結合的《自動控制原理綜合實驗》教學研究與改革”（項目編號：DQXY-2024005），河南工學院教育教學改革研究與實踐項目（項目編號：DQXY-2024002）。

參考文獻：

[1]郭亞琴.基于軟硬件相結合的自動控制原理課程實驗教學改革[J].農業工程與裝備，2023，50（01）：61-64.

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[4]楊揚，張清勇，周新民，等.基于工程教育專業認證的自動控制原理實驗教學改革[J].中國現代教育裝備，2021（05）：74-75+78.

[5]張星紅，王汝鋒，趙志國.基于MATLAB軟件和NI ELVIS平臺的自動控制原理課程教學研究與改革[J].科技資訊，2020，18（15）：15-16.