摘 "要 "基于新時代軍事教育方針，進行自動控制技術課程實驗教學改革，提出“原理+元件+系統”三位一體實驗教學模式，改革實驗教學內容，開發面向裝備系統的小型自動控制實驗物理平臺，按照原理驗證、操作使用、綜合設計和應用創新的順序，分層遞進式提高學生工程實踐能力、綜合應用能力和創新設計能力，貼近部隊對非控制類專業自動控制人才的需求。

關鍵詞 "自動控制技術；三位一體實驗教學模式；實驗箱；仿真實驗

中圖分類號：E251.3 " "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）11-00-04

0 "引言

新時代軍事教育方針明確指出，要培養德才兼備的高素質、專業化新型軍事人才。面向部隊的實戰需求，軍隊院校教育必須以打贏為牽引，堅持為戰育人，改進培養模式、革新教學資源，培養能打仗、打勝仗的合格軍人[1-3]。新時代對軍事人才的工程應用能力和綜合實踐能力提出了更高要求。為適應裝備技術的升級革新，打贏現代化戰爭，實驗教學作為人才實踐創新能力培養的重要環節，改革勢在必行。

自動控制原理在地方院校是自動化學科各專業重要的專業基礎課程，自動控制技術課程在部隊院校是多個工科專業必修的任職基礎課程，是后續專業課程的基礎[4]。該課程的概念抽象，發展速度快，工程應用廣，涉及多門學科知識的融合運用[5-7]。自動控制技術課程的理論性和實踐性很強，在教學中只有通過實驗實踐[8-10]，學員才能將抽象的理論知識與工程實際結合。

目前，傳統的自動控制技術課程主要依托實驗箱進行實驗，實驗內容以經典控制理論原理知識為主，多為演示性、驗證性實驗，缺乏實用性、綜合性、設計性，使得學生較難深入理解系統的分析、設計和實際應用。這樣的實驗設置未考慮部隊廣泛列裝使用的軟件和硬件，無法讓學員體會自動控制技術課程在當下的武器裝備、工程應用中的實際情況。

本文提出“原理+元件+系統”三位一體實驗教學模式，實驗內容涵蓋自動控制原理、自動控制元件和裝備控制系統，根據“原理+元件+系統”進行劃分，采用物理仿真、數學仿真和依托實際系統等多種實驗實踐方法，可實現基本自動控制原理知識的驗證、常用控制元件的操作使用和部分裝備系統的分析控制與設計，有利于針對性地培養學生的自學能力、動手能力和綜合應用能力，為其未來專業學習及任職能力形成打下堅實基礎。

1 "三位一體實驗教學模式

在部隊崗位需求調研的基礎上，圍繞新時代軍事教育和工程教育專業認證培養要求，按照自動控制原理知識、自動控制元件和裝備系統進行分類，設置實驗內容，建立自動控制的三維實驗實踐體系（圖1），每一類實驗采用不同的實驗方式，全方位培養學生的綜合能力。該實驗教學模式的三個維度分工明確、各有所長、互為支撐。“原理”部分旨在學生對所學自動控制理論知識進行驗證，初步分析認識自動控制系統，完成理論到實踐的跨越；“元件”部分旨在幫助學生驗證元件的工作原理，對元件進行實際的操作使用，增強動手實操能力；“系統”部分旨在引導學生深入認識實際工程系統的工作過程，提高分析設計能力，實現所學自動控制知識的綜合應用。原理實驗和元件實驗是進行裝備系統實物實驗的基礎，進行裝備系統實物實驗能夠加深學生對原理知識中系統數學模型建立、性能分析、綜合校正等知識的理解和運用，鍛煉學生對控制元件的應用，從系統的角度思考控制問題。

自動控制技術課程三位一體實驗教學模式將理論聯系實際，落腳于裝備系統的工程應用，通過參數測量、原理驗證、實驗設計和系統探究，分層遞進式使學生掌握自動控制技術的實驗方法、工程實際和武器裝備應用，為熟練操作相應武器裝備和實現部隊任職打下基礎。

2 "三位一體實驗教學設置

2.1 "原理實驗設置

自動控制原理實驗的實現方式是在傳統的電路實驗箱的基礎上，增設MATLAB軟件數字仿真實驗。

如圖2所示，學生能夠利用LabACTn實驗箱進行電路物理仿真實驗，實驗臺配有計算機，實驗箱配有信號發生模塊、虛擬示波器模塊、單片機編程模塊、DSP/ARM自編程模塊和分立電子元件模塊，可通過實驗箱的分立電子元件搭建電路模擬的典型自動控制環節和各階系統。實驗箱配置有USB接口，通過上位機虛擬示波器軟件界面能夠在計算機上顯示信號，并進行時域和頻域的分析處理。

如圖3所示，原理實驗通過計算機MATLAB/Simulink仿真，增加了高階系統分析、校正和設計等內容，能夠快速直觀地實現，參數易于調整，實

驗的設計性更強、實驗內容更加豐富，與實驗箱物理仿真實驗互為對照，可強化學生抽象思維的訓練。原理實驗主要設置驗證性實驗和設計性實驗，完成原理知識的參數驗證和校正設計（圖4），保證了自動控制技術基礎知識的學習，為后續系統維度的建模、分析和校正打下理論基礎。

2.2 "元件實驗設置

自動控制元件實驗的實現主要通過傳感器實驗箱、控制元件和電機調速控制系統平臺進行（圖5）。傳感器實驗箱配置了電容式傳感器、霍爾式傳感器、光電式傳感器等多種傳感器，學生能夠利用實驗箱進行轉速、位移等物理量的多傳感器測量，驗證傳感器工作原理。實驗室配置了自整角機、步進電機、伺服電機等控制電機，設置了相應電機的操作使用實驗。電機調速控制系統平臺基于TMS320F28335進行開發，配有DSP核心模塊、IPM功率模塊、實驗平臺模塊、直流伺服電機和交流伺服電機，采用Simulink編程，能夠進行伺服電機的調速控制實驗，通過建立實際系統的數學模型，利用Simulink進行系統的PID控制器設計，提升實驗的設計性和綜合性。元件實驗主要設置了操作使用實驗和設計性實驗，強調控制元件的管理使用、故障排查和維護維修，加深對控制元件結構原理的認識，提高學生學習的主動性，增強學生的動手實操能力，為后續系統維度的各個元件控制使用打下操作基礎。

2.3 "系統實驗設置

面向武器裝備的系統實驗是利用小型化自動控制實驗物理平臺進行實驗。

如圖6所示，小型化自動控制實驗物理平臺包括航行自動舵控制實物仿真系統，姿態閉環隨動控制實物仿真系統和平臺式慣導實物仿真系統（圖7）等三個實驗系統。該實驗平臺基于部隊裝備系統模型，注重系統的工程實現，結合自動控制技術的理論知識，貼近部隊裝備的硬件實際。實驗內容包括艦船方向舵的航向自動控制、目標靶位的隨動跟蹤和平臺式慣導系統的粗對準和精對準等實驗，涉及現代控制理論狀態空間法、卡爾曼濾波和自適應控制等算法，運用自動控制原理、元件的知識對裝備仿真系統進行建模分析、設計校正和綜合應用，實驗內容深度契合學生任職崗位的專業知識要求，體現自動控制在部隊武器裝備中的實際應用。

學生通過三個實物仿真系統可以進一步進行拓展學習，實驗室配有關于三個實物仿真系統各硬件的詳細介紹，包括板卡說明、驅動安裝、端子說明和操作說明。涉及硬件包括研華PCI1245運動控制卡、西門子V90伺服驅動系統、USB4716數據采集卡、旋轉編碼器、海康威視工業面陣相機、MEMS慣性元件等，學生可自主學習控制算法、單片機系統、運動控制、圖像處理和慣性導航等知識。軟件編程采用LabVIEW，使用圖形化編程語言G編寫程序，通過框圖進行編程，有龐大的函數庫，包括數據采集、串口控制、數據分析、數據顯示和數據存儲等，學生能夠自主修改和設計界面、調節參數，開發性強，可激發學習的熱情和興趣，促進學生自主學習。

系統實驗主要設置設計性實驗、綜合性實驗和創新性實驗，每個實驗都具備工程中系統實現的完整環節，實驗程序均為開源可深入開發，具有很強的拓展性。結合武器裝備應用給出具體的任務讓學生自己設計，以學生為中心，激發學生的學習熱情，提供給學生開源的程序和系統的硬件說明，讓學生發現問題、分析問題、解決問題，鍛煉學生的綜合分析能力和應用實踐能力。

3 "改革成效

通過“原理+元件+系統”三位一體實驗教學模式改革，循序漸進地提升學生理論與實踐結合的能力，培養學生的工程實踐能力，融合專業知識，激發學生的學習興趣，效果顯著。三位一體實驗教學模式讓學生積極投身實踐，主動參加機器人競賽、海洋航行器設計競賽、軍事建模競賽、數學建模競賽、物理競賽等學科競賽，并取得較好的成績。2020—2021年，學校本科學生在與自動控制相關的建模及機器人比賽中共獲獎192人次。2021年，學校本科學生獲得海上爭鋒全國海洋航行器設計與制作大賽特等獎，第23屆中國機器人及人工智能大賽三等獎，軍校裝備保障材料創新大賽一等獎，全軍軍事建模競賽一等獎，高教杯全國大學生數學建模競賽二等獎，形成良好的實踐氛圍。學生參加自動化相關競賽人數明顯增多，實驗成績平均分不斷提高，自動控制技術期末考試中關于系統時域分析、頻域分析和現代控制理論的相關考題得分有明顯提高。

4 "結束語

基于新時代軍事教育方針，對自動控制技術課程實驗教學模式進行改革，對應“原理+元件+系統”三位一體，增設物理仿真實驗、軟件仿真實驗和依托小型化實物仿真實驗平臺的系統實驗，豐富自動控制的實驗維度，完善實驗體系；優化傳統的自動控制課程的實驗內容，更新教學設備，虛實結合、融合專業，貼近部隊對非控制類專業自動控制人才的需求；設置驗證性、演示性、設計性和綜合性等多個層次相結合的實驗類型，能夠有效地提升學生的自主學習能力和系統探究興趣，適應培養專業化新型軍事人才的要求，為崗位中武器裝備的學習和使用打下基礎，對自動控制技術課程教學質量的提高具有重要意義。

5 "參考文獻

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