袁艷

摘 ?要 自動拉制原理是自動化專業(yè)的重要主干課程，實驗教學(xué)是提高理論基礎(chǔ)知識教學(xué)效率、增強學(xué)生對控制系統(tǒng)深入認識的重要手段。針對原有實驗課程體系中存在的內(nèi)容少、形式單一的問題，從實驗內(nèi)容、實驗?zāi)Ｊ健嶒灴己朔绞降确矫孢M行改革，對實驗教學(xué)體系進行充實和更新，可以培養(yǎng)學(xué)生綜合設(shè)計、創(chuàng)新和獨立解決工程問題的能力，同時為相關(guān)課程設(shè)計及后續(xù)課程學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 自動控制原理;實驗教學(xué)體系;虛擬實驗系統(tǒng);MATLAB

中圖分類號：G642.423 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）14-0111-03

Abstract Automatic Control Principle is an important main course of?automation major. Experimental teaching is an important means to?improve the teaching effect of theoretical knowledge and enhance students deep understanding of control system. Aiming at the pro-blems of lack of contents and single form existing in the original experimental curriculum system， the reform is carried out from the aspects of experimental content， experimental mode， experimental examination method， etc.， so as to enrich and update the experimen-tal teaching system. It can cultivate students ability to design， inno-vate and solve engineering problems independently. At the same time， it will lay a solid foundation for relevant curriculum design， follow-up courses and graduation design.

Key words automation control principle; experimental teaching sys-tem; virtual experiment system; MATLAB

1 前言

自動控制原理是自動化專業(yè)核心的基礎(chǔ)理論課程，理論性較強，也具有很強的工程實際應(yīng)用背景，其特點是概念抽象、數(shù)學(xué)知識含量大、計算繁雜，難教也難學(xué)?，F(xiàn)有的自動控制原理實驗教學(xué)為八學(xué)時MATLAB仿真驗證型實驗，實驗內(nèi)容簡單、形式單一，學(xué)生只需要按部就班機械操作即可完成實驗，雖然可以幫助學(xué)生加深對理論基礎(chǔ)知識的理解，但不能起到培養(yǎng)學(xué)生主動探索與綜合實踐應(yīng)用能力的作用。

增強實驗教學(xué)效果，在實驗環(huán)節(jié)充分調(diào)動學(xué)生的主動性，激發(fā)學(xué)生的實驗熱情，使學(xué)生能夠牢固掌握自動控制原理的基本理論，同時具有設(shè)計、開發(fā)和綜合自動控制系統(tǒng)的實踐創(chuàng)新能力，是自動控制原理課程綜合創(chuàng)新實驗教學(xué)的改革方向和目標[1-2]。本文在總結(jié)實驗教學(xué)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合MATLAB在控制領(lǐng)域的強大功能，通過對自動控制原理課程實驗教學(xué)體系的改革、完善和更新，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可充分利用實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的優(yōu)勢，盡力將“難學(xué)”變成“易學(xué)”，培養(yǎng)學(xué)生分析與設(shè)計實際自動控制系統(tǒng)的能力，對提高實驗及理論教學(xué)水平和質(zhì)量具有重要意義。

2 建設(shè)目標及主要內(nèi)容

在多年實驗教學(xué)實踐基礎(chǔ)上，本文重新規(guī)劃與自動控制原理課程理論教學(xué)相配套的實驗教學(xué)內(nèi)容，實驗學(xué)時調(diào)整為14學(xué)時，同時增加自動控制原理課程設(shè)計（一周），構(gòu)建由基礎(chǔ)驗證、綜合設(shè)計和創(chuàng)新型設(shè)計實驗組成的自動控制原理課程實驗教學(xué)體系，所有實驗內(nèi)容的選擇圍繞系統(tǒng)的構(gòu)建、性能分析、校正設(shè)計與實現(xiàn)進行。通過系統(tǒng)建模、時域/頻域/復(fù)域特性分析內(nèi)容的基礎(chǔ)驗證實驗，熟悉和掌握典型系統(tǒng)的性能計算與分析方法;通過系統(tǒng)校正、綜合設(shè)計實驗，掌握如何建立給定自動控制系統(tǒng)的模型、按照給定的校正方式設(shè)計校正裝置并對系統(tǒng)性能進行校驗。同時，引入實際自動控制系統(tǒng)作為研究對象，通過創(chuàng)新型設(shè)計實驗完成對系統(tǒng)的建模、性能分析及控制校正方式選擇與設(shè)計實現(xiàn)，使學(xué)生對理論知識有更形象的理解，達到知識的融會應(yīng)用、激發(fā)創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的綜合設(shè)計、創(chuàng)新和獨立解決工程問題的能力。

自動控制原理實驗教學(xué)體系構(gòu)建的主要內(nèi)容包括[3-5]：開發(fā)自動控制原理虛擬實驗系統(tǒng);創(chuàng)建綜合設(shè)計與創(chuàng)新型實驗;改革實驗成績考核方式;整理編寫自動控制原理實驗教材。

虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) ?虛擬實驗系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ酱嬖诘膶嶒灉y量誤差大、復(fù)雜圖線顯示困難等弊端，能夠直觀地展現(xiàn)理論知識學(xué)習(xí)中的計算和曲線繪制過程，有利于加深學(xué)生對理論知識的學(xué)習(xí)和掌握，解決理論與實踐脫節(jié)的問題，變被動為主動。同時，虛擬實驗系統(tǒng)具有很強的可操作性，可以將學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中難以理解甚至在課堂上沒有學(xué)懂的知識圖形化、具體化，也可以將教師從傳統(tǒng)的純黑板的教學(xué)模式中解放出來，很好地解決多媒體教學(xué)中可視化環(huán)節(jié)難以實現(xiàn)實時性和動態(tài)性的問題，讓學(xué)生可以簡單直接領(lǐng)會和理解課程學(xué)習(xí)中的重點與難點，為學(xué)生創(chuàng)造一種輕松而新穎的教學(xué)、學(xué)習(xí)環(huán)境[3]，為后續(xù)的綜合性設(shè)計型實驗奠定基礎(chǔ)，有助于調(diào)動學(xué)生的積極性，將實驗帶來的教學(xué)效益發(fā)揮到最大化。

基于MATLAB GUI具有對圖形和數(shù)據(jù)的處理優(yōu)勢大、對控制系統(tǒng)分析計算方便的優(yōu)點[6]，本文設(shè)計和實現(xiàn)基于MATLAB GUI的自動控制原理虛擬實驗系統(tǒng)，包括八個模塊，分別是系統(tǒng)建模、時域分析、根軌跡分析、頻域分析、控制系統(tǒng)校正、離散系統(tǒng)分析、非線性系統(tǒng)分析和綜合設(shè)計實驗，如圖1所示。實驗5～8為新增實驗內(nèi)容，調(diào)整后的實驗項目內(nèi)容上涵蓋了自動控制原理課程的全部內(nèi)容，使學(xué)生能夠更全面地掌握相關(guān)知識點，旨在提高學(xué)生的分析和設(shè)計系統(tǒng)的能力。

綜合考慮實驗內(nèi)容學(xué)習(xí)、實驗操作、人機交互等因素，虛擬實驗系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖2所示，平臺整體搭建主要包括主界面、實驗?zāi)K選擇界面和各模塊子系統(tǒng)界面三部分，設(shè)計力求直觀、簡單、方便，讓學(xué)生可以快速找到相關(guān)功能并進行操作。在設(shè)計界面時，利用多個靜態(tài)文本框（Static Text）來顯示主題，利用按鈕（Push Button）來選擇相關(guān)操作，利用可編輯文本（Edit Text）來進行參數(shù)的輸入，利用axes來實現(xiàn)圖片或運行曲線的顯示。

虛擬實驗系統(tǒng)運行后首先進入主界面，進行“使用說明”“開始實驗”“實驗報告要求”和“退出”四項選擇，選擇“開始實驗”后進入實驗?zāi)K選擇界面，可進行八個實驗?zāi)K的選擇與切換，選擇其中某一模塊后進入實驗子系統(tǒng)模塊界面，可進行實驗?zāi)康摹⒅R講解、例題講解、實驗內(nèi)容的相關(guān)學(xué)習(xí)。同時，每個實驗子系統(tǒng)模塊均設(shè)置有對實驗內(nèi)容演示說明的選項，使學(xué)生明確實驗所需實現(xiàn)的功能和應(yīng)達到的實驗效果。

如實驗5“控制系統(tǒng)校正”中的串聯(lián)校正分析演示，選擇后界面如圖3所示，輸入待校正系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)（分子、分母系數(shù)）及系統(tǒng)性能指標要求：開環(huán)增益K=10，截止頻率ωc≥4.4 rad/s，相角裕度γ（ωc）≥45°，幅值裕度h≥10 dB，可通過選擇“待校正系統(tǒng)分析”（圖3中藍色按鈕）計算校正前系統(tǒng)性能指標，并在界面左上部繪制出校正前系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線，可得γ（ωc）=17.96°，ωc=3.08 rad/s，可知均不滿足要求。

通過選擇“系統(tǒng)校正”可實現(xiàn)串聯(lián)校正元件傳遞函數(shù)設(shè)計，給出其分子、分母系數(shù)，由圖3可知，為串聯(lián)超前校正。同時，在界面左上部繪制校正前后系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性曲線（校正前為實線，校正后為虛線），計算校正后系統(tǒng)的性能指標，可得γ（ωc）=49.34°，ωc=4.4 rad/s，h=+∞，各項指標均滿足設(shè)計要求。系統(tǒng)在輸入不正確及校正完成后能給予相應(yīng)提示，如圖3中紅色文字所示。

對實驗方式的改革 ?自動控制原理的實驗方式由原有的單一基礎(chǔ)驗證型實驗轉(zhuǎn)變基礎(chǔ)驗證型、綜合設(shè)計型、創(chuàng)新型實驗項目相結(jié)合的實驗體系。原有的實驗方式中，學(xué)生對數(shù)學(xué)模型難以建立直觀的概念，只停留在理論層次，很難建立抽象的數(shù)學(xué)模型與實際物理系統(tǒng)之間的聯(lián)系。新的實驗體系中增加了創(chuàng)新型實驗作為課程設(shè)計的內(nèi)容，以磁盤驅(qū)動讀取系統(tǒng)、加熱爐爐溫控制系統(tǒng)這些實際的物理系統(tǒng)作為研究對象，通過分析系統(tǒng)的組成與變量之間的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，進行性能分析，根據(jù)設(shè)計要求靈活構(gòu)建解決方案并進行校正設(shè)計，使學(xué)生能利用理論知識解決實際工程問題，注重控制理論的工程意義和實用性，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、分析解決問題的能力和綜合應(yīng)用、獨立創(chuàng)新設(shè)計與實踐的能力。

對考核方式的改革 ?在原有考核方式中，實驗成績由教師根據(jù)學(xué)生的考勤、實驗報告兩部分給出。由于驗證型實驗的結(jié)果通常是唯一的，這導(dǎo)致部分學(xué)生不認真做實驗，甚至玩手機或上網(wǎng)混時間，通過抄襲其他學(xué)生的實驗結(jié)果或報告，獲得與認真獨立完成實驗的學(xué)生相同的實驗成績。在新的實驗體系中，加強了對實驗前預(yù)習(xí)的要求，實驗完成前提交預(yù)習(xí)報告。同時，教師針對每個模塊的實驗操作設(shè)計5～10個思考題，實驗完成后由學(xué)生當(dāng)場回答其中的2～3個問題[3]。由于綜合性創(chuàng)新型實驗設(shè)計方案的多樣化，在考核過程中，教師不僅考核學(xué)生的調(diào)試過程與實驗結(jié)果，同時考核他們的設(shè)計依據(jù)，并要求對出現(xiàn)的問題給出合理解釋。同時，將原有的實驗成績占總成績的10%增加到20%，加強學(xué)生對實驗的重視度。實驗的最終評分根據(jù)考勤、預(yù)習(xí)報告、實驗操作與回答問題情況、實驗報告綜合給出，從根本上調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，可以反映學(xué)生的真實水平，杜絕學(xué)生的抄襲問題。

實驗教材編寫 ?為配合實驗內(nèi)容和實驗方式的改革，根據(jù)實際情況，在總結(jié)原有零散的實驗講義的基礎(chǔ)上，結(jié)合虛擬實驗系統(tǒng)的相關(guān)功能，編寫教材《自動控制原理實驗指導(dǎo)》，對實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗?nèi)容進行詳細說明，循序漸進引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)實驗相關(guān)的知識并通過實例幫助學(xué)生更好地理解實驗原理，從而有針對性地完成所規(guī)定的實驗內(nèi)容。同時，實驗教材對實驗報告提出具體要求，要求學(xué)生按照實驗指導(dǎo)書進行預(yù)習(xí)，引發(fā)學(xué)生思考，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參加實驗的學(xué)習(xí)熱情。

3 結(jié)語

本文配合自動控制原理實驗教學(xué)體系改革的相關(guān)項目，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為目標，構(gòu)建和充實由基礎(chǔ)驗證、綜合設(shè)計和創(chuàng)新型設(shè)計實驗組成的自動控制原理實驗課程教學(xué)體系。新的實驗體系實施以后，在以下幾方面取得很好的效果。

1）學(xué)生可以更好地理解課堂內(nèi)所學(xué)習(xí)理論知識，培養(yǎng)對實驗的學(xué)習(xí)興趣和主動性，希望有更多的機會能參加實踐，提高動手能力。

2）理論與實踐相結(jié)合的創(chuàng)新設(shè)計實驗有一定難度，但學(xué)生通過實驗設(shè)計不僅可以更深刻地理解與直觀地認識控制系統(tǒng)的基本原理，而且可以提高分析解決問題的能力以及團隊合作精神。

3）完善后的實驗成績考核方式，能更準確客觀地反映學(xué)生的真實學(xué)習(xí)狀況和水平，受到學(xué)生好評。

4）自動控制原理虛擬實驗系統(tǒng)整體運行良好，達到設(shè)計的目標要求，結(jié)合教學(xué)實踐表明，系統(tǒng)可解決傳統(tǒng)教學(xué)實驗中實驗設(shè)備數(shù)量不足、知識講解抽象、學(xué)生理解困難等問題，具有上手快、操作簡單、結(jié)果顯示直觀等優(yōu)點，起到提高學(xué)習(xí)質(zhì)量的作用。

5）完備的自動控制原理實驗教材，能幫助學(xué)生更好地在實驗前做好預(yù)習(xí)工作，明確實驗任務(wù)和目標，給學(xué)生時間去思考問題，通過查閱文獻或與同學(xué)交流解決問題，為順利完成實驗打下良好的基礎(chǔ)。

完善后的實驗教學(xué)體系，對于培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范、嚴謹?shù)目茖W(xué)實驗態(tài)度，提高靈活運用理論知識的綜合能力大有幫助，為相關(guān)課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)，同時有助于強化實驗教學(xué)效果，提高實驗教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻

[1]張柯，夏靜萍.《自動控制原理》實驗課的改革和探究[J].南昌教育學(xué)院學(xué)報，2013（11）：77-78.

[2]景洲，張愛民，王勇，等.創(chuàng)建自控原理實驗課程教學(xué)體系，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力[J].高校實驗室工作研究，2014（4）：34-36.

[3]姜文娟，張茂川，等.以《自動控制原理》實驗改革入手，構(gòu)建“1234”實踐教學(xué)體系[J].亞太教育，2015（24）：95-96.

[4]楊欣，蘇玉剛，等.工程類專業(yè)的自動控制原理實驗教學(xué)體系探究[J].實驗室研究與探索，2011，30（10）：312-314.

[5]盛守照，葉馮超，等.“自動控制原理”實驗設(shè)計與教學(xué)改革思考[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2017，39（1）：131-134.

[6]韋春榮.基于MATLAB_GUI的自動控制原理課堂輔助教學(xué)系統(tǒng)[J].廣西物理，2013，34（4）：55-57.