魯興舉,彭學鋒,鄭志強

(國防科技大學機電工程與自動化學院,湖南長沙 410073）

“自動化系統(tǒng)綜合設計”實踐課程教學探討

魯興舉,彭學鋒,鄭志強

(國防科技大學機電工程與自動化學院,湖南長沙 410073）

作為自動化專業(yè)本科生的綜合性實踐環(huán)節(jié),“自動化系統(tǒng)綜合設計”課程要求學生完成一個典型控制系統(tǒng)的完整設計過程,包括系統(tǒng)方案設計、數(shù)學建模、計算機輔助分析設計仿真、系統(tǒng)物理實現(xiàn)、系統(tǒng)調試、性能測定及結果分析等。教師在實施教學時,應針對自動化專業(yè)人才培養(yǎng)目標,進行合理的選題布置,以多個指導教師對多個學生的形式指導學生完成設計全過程。綜合設計的難度和實施方法均有別于課程設計或畢業(yè)設計,對提高學生綜合設計實際控制系統(tǒng)的能力和培養(yǎng)創(chuàng)新意識與工程實踐素養(yǎng)具有重要的作用。

自動化專業(yè);實踐教學;綜合設計

“自動化系統(tǒng)綜合設計”實踐課程是我校機電工程與自動化學院自動化專業(yè)新增的一門本科生實習(實訓類)課程,是比課程設計更高層次的綜合性系統(tǒng)設計課程。該課要求學生經歷一個典型控制系統(tǒng)的完整設計過程,包括系統(tǒng)方案設計、數(shù)學建模、計算機輔助仿真分析與綜合、系統(tǒng)物理實現(xiàn)、系統(tǒng)調試、性能測定及結果分析等,最后完成綜合設計報告。整個設計任務要求學生在兩周內完成。

1 實踐教學內容設計

我校自動化專業(yè)本科生的實踐教學層次為:課程實驗※課程設計※綜合設計(實習/實訓)※畢業(yè)設計?？梢钥闯?綜合設計是課程設計的延伸,是整個實踐教學體系中的重要一環(huán)。

我們在選題時,向學生提供了大量實際控制系統(tǒng),如調速控制系統(tǒng)、磁懸浮控制系統(tǒng)、倒立擺控制系統(tǒng)、風擺控制系統(tǒng)、球棒控制系統(tǒng)、XY運動平臺控制系統(tǒng)、四軸運動控制系統(tǒng)、冗余并聯(lián)機器人、雙旋翼控制系統(tǒng)、火炮和雷達跟蹤伺服控制系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)有些是不穩(wěn)定、非線性和非最小相位的;有些是欠驅動系統(tǒng)和冗余控制系統(tǒng);有單變量和多變量的系統(tǒng);有鎮(zhèn)定控制和跟蹤控制;有運動控制和運動規(guī)劃。學生將綜合運用經典控制、現(xiàn)代控制及計算機控制等理論,對實際系統(tǒng)進行分析與綜合[1]。

對綜合設計選題,學生不僅可以在指定的范圍內自由選擇,還可以根據(jù)自己的興趣自擬題目。我們每年所擬定的綜合設計內容及要求均不盡相同,有些題目雖然相同,但研究工作要求更加深入。比如倒立擺控制系統(tǒng),上一學年要求學生對不同形式的倒立擺系統(tǒng)進行建模及仿真,本學年則要求學生設計新的控制算法,進行仿真并在倒立擺實驗裝置上進行調試和驗證,下一學年可要求在倒立擺的控制性能上進行更進一步的深入分析和設計[2]。

2 綜合設計教學實施

1)教學實施過程

(1)布置綜合設計任務,學生自主組合(每組6人左右),自主選題。選定題目后應明確各成員的任務分工。如:總體設計及協(xié)調,文獻資料查閱,系統(tǒng)數(shù)學建模、分析及仿真,軟件編程,硬件設計實現(xiàn)及調試等方面。

(2)各組在閱讀相關文獻、資料的基礎上進行系統(tǒng)方案的初步設計,撰寫并提交一份格式不限的方案簡單報告,包括研究內容、人員分工、計劃進度及初步技術方案。

(3)采用解析法或實驗法進行控制對象的數(shù)學建模,利用Matlab/Simu link等進行控制系統(tǒng)的分析與綜合,完成控制系統(tǒng)的理論設計。

(4)對設計的控制系統(tǒng)進行物理實現(xiàn),特別是控制器的實現(xiàn)及系統(tǒng)調試實驗。

(5)對調試成功的系統(tǒng)進行性能測試和分析,并通過教師驗收。

(6)總結綜合設計工作,全組共同完成綜合設計報告撰寫。

(7)最后,教師組織一次綜合設計匯報與交流活動,學生對系統(tǒng)設計過程中的經驗與教訓進行總結,對未能解決的疑難問題進行討論。

(8)我們要求學生組長對本組成員給出成績建議和理由,教師結合各組綜合設計報告中的成員工作量和成果,對學生成績進行評定。

2)教學實施流程

在兩周的綜合設計實驗期間,實驗室采取全開放的管理模式,學生自由控制來實驗室的時間,但總時間不少于10天。具體教學流程安排如下:①綜合設計選題;②系統(tǒng)方案論證和設計;③系統(tǒng)數(shù)學建模和分析;④系統(tǒng)模型參數(shù)測定;⑤控制系統(tǒng)仿真與設計;⑥控制器結構參數(shù)確定與物理實現(xiàn);⑦系統(tǒng)物理實現(xiàn)與調試;⑧系統(tǒng)調試與系統(tǒng)性能測試;⑨實驗數(shù)據(jù)整理與分析;⑩綜合設計匯報與交流活動。

以上每個環(huán)節(jié)約為一天。實施過程中除集中的選題安排和驗收交流等工作外,可酌情略作調整。

3)教學組織方式

在綜合設計中,學生多人一組可以培養(yǎng)團隊協(xié)作精神。綜合設計小組的成員必須進行分工協(xié)作,各自發(fā)揮所長,才能更好地完成任務。具體分工內容有總體、分系統(tǒng),資料、進度、技術,軟件、硬件,數(shù)學建模、分析、仿真、編程和調試等。

由多個教師組成的導師組成員在選題、方案論證、理論分析、系統(tǒng)設計、實驗調試和數(shù)據(jù)分析等多個環(huán)節(jié)指導學生,使其得到全面鍛煉和提高。

3 結語

“自動化系統(tǒng)綜合設計”實踐課程只明確實驗的目的與要求,由學生自行選定實驗題目后設計實驗方案并加以實現(xiàn)。綜合設計教學內容上具有選題的開放性和任務的系統(tǒng)性,有利于培養(yǎng)學生自主設計和方案實現(xiàn)的能力,激發(fā)學生學習的主動性和創(chuàng)新意識。學生設計小組和導師組的教學方式有利于培養(yǎng)學生獨立思考與團結協(xié)作相結合的能力。學生可以綜合運用知識和文獻、提出問題和解決復雜問題的能力。由此,學生的綜合設計實際系統(tǒng)的能力創(chuàng)新意識明顯提高。

[1] 彭學鋒,劉建斌,魯興舉.自動控制原理實踐教程[M].北京:中國水利水電出版社,2006

[2] 楊澤斌,孫玉坤,譚倫農.電氣工程及其自動化專業(yè)實踐教學的探索與思考[J].南京:電氣電子教學學報,2007,29(1):69-71

Discussion on the Teaching for Automatic Control System Integrated Design Project

LU Xing-ju,PENG Xue-feng,ZHENG Zhi-qiang

(Co llege of E lectromechanica l Eng ineering&Automation,NationalUniversity o f Defence Techno logy,Changsha 410073,China)

As a practical course for undergraduate of autom ation major,the Automatic Control System Design project provides a comp lete process to design a typical control system.Thewhole process includes system scheme contriving,mathem aticalmodel estab lishing,CAD analysis and synthesis,contro ller actualization,system test run,performancemeasure and conclusion drawing.According to the goalofautomation m ajor education,it shou ld be p rovided p roject p rob lem s reasonably,and teaching by the m ode of som e-teachers-to-som e-students.The difficulty and teachingmethods of thedesign projectdistinguish from general course design and graduation design,so the project plays an im portant role in enhancing students'ability o f real contro l system design and training students'innovation thought and engineering accomp lishment.

automation major;practice teaching;integrated project

G647

A

1008-0686(2011)02-0055-02

2010-09-27;

2010-12-23

魯興舉(1977-),男,博士生,講師,主要從事精確制導與控制教學與科研工作,E-mail:luxingju@163.com

彭學鋒(1964-),男,碩士,副教授,主要從事精確制導與控制教學與科研工作;

鄭志強(1965-),男,教授,主要從事精確制導與控制教學與科研工作。