溫素芳，王志和，肖志云

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080）

《自動控制原理》是我院自動化、電氣工程及其自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在整個專業(yè)知識體系中占據(jù)非常重要的地位，不但為后續(xù)《現(xiàn)代控制理論》《計算機控制技術(shù)》和《過程控制系統(tǒng)》等本科生專業(yè)課程提供理論基礎(chǔ)和分析設(shè)計方法，也是《智能控制》《線性系統(tǒng)理論》和《自適應(yīng)控制》等研究生課程的基礎(chǔ)。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握用系統(tǒng)的觀點分析問題和解決問題，對于工程實踐具有重要的指導(dǎo)作用。

《自動控制原理》課程理論性較強，有一定的深度和學(xué)習(xí)難度，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中容易感到枯燥乏味，產(chǎn)生厭學(xué)情緒，而實驗教學(xué)是保證課程教學(xué)效果的重要部分，是更好地實現(xiàn)理論和實際有機結(jié)合的橋梁，是將知識轉(zhuǎn)化為能力的重要環(huán)節(jié)。搞好實驗教學(xué)，不僅可以使學(xué)生對所學(xué)理論知識有更深刻的理解和把握，有效地提高教學(xué)質(zhì)量，同時對培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，提高思維能力、動手能力、設(shè)計水平和創(chuàng)新精神起著重要的作用，更好地滿足工程教育專業(yè)認證背景下，社會對工程領(lǐng)域人才的要求。因此，實驗教學(xué)是課程建設(shè)的一個重要方面。

1 傳統(tǒng)實驗課程現(xiàn)狀

傳統(tǒng)自動控制原理實驗采用電子模擬實驗箱，即由模擬實驗裝置加上示波器，在實驗箱面板上連接相應(yīng)的典型環(huán)節(jié)或系統(tǒng)，通過示波器觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線及各項指標(biāo)。當(dāng)前的實驗內(nèi)容固定，主要是按章節(jié)進行驗證性實驗，實驗儀器功能固定，實驗只能按照指導(dǎo)書設(shè)計好的步驟進行，測數(shù)據(jù)，觀察實驗現(xiàn)象，完成實驗。雖然這種方式可以在一定程度上提高學(xué)生的動手能力，加深對課堂所學(xué)內(nèi)容的理解，但由于實驗時間限制，一般要求在實驗室2個學(xué)時內(nèi)完成，少部分學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)完成不了，就容易敷衍了事。另外，此實驗缺少實際控制對象，學(xué)生對控制系統(tǒng)沒有直觀認識，對出現(xiàn)的問題缺少系統(tǒng)、多角度的分析，因此，在一定程度上限制了學(xué)生的主動性和積極性，難以激發(fā)他們獨立分析問題、解決問題的激情，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，對提高實踐能力的作用也是有限的，因此對該課程實驗進行教學(xué)改革是十分必要的。

2 分階段的實驗教學(xué)模式

2.1 課前增加演示實驗

緒論是《自控控制原理》課程的第一課，主要介紹一些基本的概念、系統(tǒng)的組成和原理以及對控制系統(tǒng)的基本要求等，但常規(guī)的講解結(jié)束后，大部分學(xué)生對這門課程的主要任務(wù)不是很明確，所以我們要從緒論入手，給學(xué)生做幾個演示性實驗，利用演示實驗導(dǎo)入教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

目前我們學(xué)院采購的演示實驗設(shè)備有磁懸浮系統(tǒng)、板球系統(tǒng)、球桿系統(tǒng)、吹擺系統(tǒng)和便攜式倒立擺系統(tǒng)，實驗設(shè)備如圖1所示，我們可以用演示實驗創(chuàng)設(shè)教學(xué)情景，有了具體的控制對象，學(xué)生對控制系統(tǒng)有一個直觀的認識，使學(xué)生對課程產(chǎn)生好奇心，促使他們積極地思考，產(chǎn)生一些疑問，并且渴望得到解決。這樣主觀上就有了想了解該課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容和在實際中應(yīng)用的愿望，就能帶著強烈的求知欲和濃厚的興趣來學(xué)習(xí)這門課程，而且這些演示實驗裝置可以作為后續(xù)的實驗項目。

圖1 演示實驗裝置

2.2 課程教學(xué)期間模擬實驗和仿真實驗相結(jié)合

可以將自動控制原理模擬實驗與MATLAB仿真實驗相結(jié)合，做到以下幾點：

（1）引入仿真實驗，豐富預(yù)習(xí)的形式。以往學(xué)生預(yù)習(xí)實驗都是把實驗指導(dǎo)書的內(nèi)容抄一遍，大部分學(xué)生不知道實驗的最終正確結(jié)果和結(jié)論，有了仿真軟件，可以讓學(xué)生在做模擬實驗之前先做仿真實驗，加深對實驗內(nèi)容的理解和掌控，更加有效的預(yù)習(xí)實驗，大大提高實驗效率，取得良好的實驗效果。

（2）克服了現(xiàn)有設(shè)備的缺陷。利用MATLAB軟件很容易實現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的改變，學(xué)生更加方便、直觀地看出參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響。例如在做校正實驗項目時，由于我們實驗箱用于擴展的地方有限，很難滿足學(xué)生設(shè)計的不同的校正電路參數(shù)，而利用MATLAB軟件，學(xué)生可以按照自己的設(shè)計方法，得到校正前后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線。

（3）擴充模擬實驗沒有的項目。例如高階系統(tǒng)的閉環(huán)主導(dǎo)極點的性質(zhì)，根軌跡部分傳遞函數(shù)的零極點對系統(tǒng)根軌跡以及過渡過程的影響等內(nèi)容無法進行實驗，就可以進行仿真實驗研究。

（4）部分實驗結(jié)果可以作為教師的課堂教學(xué)內(nèi)容，在理論教學(xué)過程中融入MATLAB仿真教學(xué)，這不僅增強了分析過程和分析結(jié)果的可視性，讓控制理論不再僅僅是書本上枯燥的公式推導(dǎo)和抽象的圖表，讓抽象的理論變得直觀易懂。

2.3 課程結(jié)束后集中課程設(shè)計

課程設(shè)計是一種綜合訓(xùn)練，能將課程所學(xué)的知識串聯(lián)到一起，包括數(shù)學(xué)模型的建立、性能的分析、控制器的設(shè)計。但課程設(shè)計要將具有工程背景的實物系統(tǒng)作為實驗命題，將抽象的沒有任何物理含義的傳遞函數(shù)與被控對象的物理概念在學(xué)生的頭腦中聯(lián)系起來，控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的參數(shù)有了物理意義，評價系統(tǒng)優(yōu)劣中的穩(wěn)、快、準(zhǔn)有了具體的含義，學(xué)生在設(shè)計時不是僅僅考慮實驗結(jié)果能否滿足給定的指標(biāo)要求，而是要考慮能否讓控制系統(tǒng)更好地工作，在一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識，進一步培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力，否則面對實際控制任務(wù)，依然不知該如何應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題。

例如設(shè)計一個爐溫自動控制系統(tǒng)，控制對象是電廠的加熱爐還是家用的水壺，考慮的指標(biāo)和方法都不一樣。針對該控制對象將自動控制理論的知識分模塊有步驟地展開研究。在這個過程中，學(xué)生會向自己提出一個又一個的問題，并為解決這些問題不斷地收集資料、整理資料，主動、自行地安排自己的學(xué)習(xí)，對許多知識有了更深入的認識和理解，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題的能力，對知識的理解上升到了一個新的高度。

2.4 開放實驗

以班組為單位的實驗?zāi)Ｊ讲荒軡M足不同個性、不同水平學(xué)生的需求，開放實驗室是一個很好的辦法，為學(xué)有余力和感興趣的同學(xué)提供獨立的思維空間和足夠的操作時間。目前我們實驗室可開設(shè)的 部分實驗項目列表1所示，其中每一個實驗?zāi)馨阉鶎W(xué)的數(shù)電、模電、檢測技術(shù)等硬件知識，以及自動控制原理、程序設(shè)計和編制等軟件知識綜合運用，將自動控制與其他課程結(jié)合，做到對知識的延伸，讓學(xué)生真正理解所學(xué)課程與其他課程的關(guān)聯(lián)性，也能加深學(xué)生對本專業(yè)的認識，使他們在實驗室體驗到研究的樂趣，提高了學(xué)生主動探索專業(yè)知識的能力和科研素養(yǎng)，提高對控制系統(tǒng)的全面分析和綜合設(shè)計能力。

表1 開放實驗項目

3 結(jié)語

本文分析了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的不足，針對《自動控制原理》課程的特點提出了分階段的實驗?zāi)Ｊ?。通過課前增加演示實驗，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和動力；在理論課教學(xué)期間實行電子模擬實驗和軟件仿真實驗相結(jié)合，彌補了實驗箱實驗的不足，還可以直觀理解抽象的理論知識；課后組織具有工程背景的課程設(shè)計，把所學(xué)的各部分知識串聯(lián)到一起，培養(yǎng)了學(xué)生的工程意識；最后，學(xué)有余力的學(xué)生可以選作一些開放實驗，提高學(xué)生的綜合實踐能力。這種從低到高，從接受知識到培養(yǎng)綜合能力的分階段實驗新體系，符合學(xué)生的認知習(xí)慣，學(xué)生的思維能力、實踐能力得到良好的訓(xùn)練，從整體上培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力,從而滿足工程教育專業(yè)認證背景下，社會對工程領(lǐng)域人才的要求。