摘 要：自動控制原理綜合實(shí)驗(yàn)是應(yīng)用型本科院校自動化類專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程。該課程將MATLAB語言仿真分析和NI ELVIS硬件平臺應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，形成軟硬件相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，激發(fā)了學(xué)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(fù)雜性與抽象度；同時，引入過程性和綜合性評價考核機(jī)制。經(jīng)過改革，實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯著提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了學(xué)生的實(shí)踐操作能力、工程意識與專業(yè)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：自動控制原理 實(shí)驗(yàn)教學(xué) MATLAB 軟硬件

0 引言

自動控制原理是應(yīng)用型本科院校自動化、機(jī)器人工程等專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，它在該類專業(yè)的知識體系中起著連接基礎(chǔ)知識與專業(yè)知識的橋梁作用[1]。該課程特色鮮明，理論性強(qiáng)，知識面廣泛，內(nèi)容豐富，具有一定的深度，學(xué)生往往難以將理論知識與實(shí)際操作緊密聯(lián)系起來[2-3]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為本課程的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)際相結(jié)合的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于應(yīng)用型本科院校的自動化類專業(yè)教師而言，通過精心設(shè)計(jì)與實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略，我們旨在超越傳統(tǒng)界限，不僅加深學(xué)生對理論知識的內(nèi)化程度，更著重于培育他們初步具備分析復(fù)雜系統(tǒng)與設(shè)計(jì)有效控制系統(tǒng)的能力[4-5]。通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的練習(xí)，學(xué)生可以更深入地理解課程的核心內(nèi)容和物理現(xiàn)象的機(jī)理，從而激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，提升學(xué)習(xí)的主動性和自覺性。

1 軟件實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入MATLAB，通過簡單的控制命令或Simulink工具進(jìn)行仿真，能夠?qū)⒊橄蟾拍罹唧w化，使學(xué)生直觀地觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而顯著提升教學(xué)效果。在時域分析中，鑒于系統(tǒng)輸入輸出信號隨時間的動態(tài)變化特性，引入MATLAB語言作為教學(xué)工具，學(xué)生能夠靈活運(yùn)用多種動態(tài)顯示，將原本抽象的函數(shù)轉(zhuǎn)化為直觀可視化的圖表與曲線；不僅極大地增強(qiáng)了教學(xué)內(nèi)容的直觀性，還有效破解了理論學(xué)習(xí)中普遍存在的抽象化難題，使學(xué)生能夠更直觀地把握信息在時間維度上的演變規(guī)律，從而深化對時域分析原理的理解與應(yīng)用能力。

對于典型的二階系統(tǒng)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)形式為：Φ（s）=，在本例中，我們設(shè)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(tǒng)對這些參數(shù)變化的響應(yīng)特性。通過單位階躍響應(yīng)的仿真，我們可以獲得如圖1（a）所示的仿真結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在 ζ 設(shè)置為0.5的條件下，系統(tǒng)輸出了最佳響應(yīng)。為了深入探索ωn參數(shù)對系統(tǒng)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(guān)鍵值（2、4、6、8、10）進(jìn)行單位階躍響應(yīng)的觀測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果詳見圖1（b）。

通過分析仿真數(shù)據(jù)，在ωn保持不變的前提下，系統(tǒng)的動態(tài)行為隨著其內(nèi)部阻尼特性的自然演變（從欠阻尼經(jīng)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(tǒng)會表現(xiàn)出超調(diào)量的減少、上升時間的延長以及響應(yīng)速度的減緩，同時穩(wěn)定性得以增強(qiáng)。

當(dāng) ζ 固定為0.5時，ωn的增加直接促進(jìn)了系統(tǒng)性能的提升。具體表現(xiàn)為，系統(tǒng)達(dá)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(tǒng)的響應(yīng)時間。同時，調(diào)節(jié)時間的縮短進(jìn)一步證明了系統(tǒng)對輸入變化的快速適應(yīng)能力。綜上所述，通過調(diào)整ωn的值，我們可以保持 ζ 在最優(yōu)（0.5）的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)速度和更高的穩(wěn)定性。

2 硬件實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

河南工學(xué)院斥資逾140萬元，成功構(gòu)建了依托高性能模塊化虛擬儀器的自動控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室的核心在于NI ELVIS硬件平臺與LabVIEW軟件環(huán)境的深度集成，這一組合為自動控制原理課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)革新奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。其獨(dú)特優(yōu)勢在于，NI ELVIS不僅集成了多樣化的標(biāo)準(zhǔn)儀器功能，還高度兼容LabVIEW軟件，師生可以根據(jù)教學(xué)需求，靈活開發(fā)定制化的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。更重要的是，這種軟硬件協(xié)同工作的模式，為學(xué)生創(chuàng)造了一個極具靈活性和擴(kuò)展性的實(shí)驗(yàn)探索空間。學(xué)生不僅能夠利用現(xiàn)有資源完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，還能在LabVIEW平臺上發(fā)揮創(chuàng)意，設(shè)計(jì)并實(shí)施更為復(fù)雜、前沿的實(shí)驗(yàn)方案，從而極大地促進(jìn)了理論知識與實(shí)踐能力的深度融合，為培養(yǎng)創(chuàng)新型工程技術(shù)人才提供了有力支撐。

以典型的二階系統(tǒng)穩(wěn)定性分析為例，深入探討實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的改革創(chuàng)新，旨在通過實(shí)踐加深理論知識的理解，并促進(jìn)學(xué)生跨學(xué)科思維的發(fā)展。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在二階系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的實(shí)驗(yàn)中，首先強(qiáng)調(diào)的是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與理論模型的緊密結(jié)合。學(xué)生需依據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中提供的二階系統(tǒng)模擬電路圖，深入理解其電路原理與動態(tài)特性。此過程鼓勵學(xué)生探索不同的接線方案，只要能夠準(zhǔn)確再現(xiàn)理論電路的功能即可，這不僅提高了學(xué)生的電路分析能力，也讓他們在實(shí)踐中體會到自控原理與數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)課程之間的緊密聯(lián)系，促進(jìn)了跨學(xué)科知識的融合與應(yīng)用。

2.2 實(shí)物連線

實(shí)驗(yàn)課程的改革聚焦于實(shí)踐操作的深度與廣度，旨在通過親手搭建控制系統(tǒng)模擬電路的過程，學(xué)生結(jié)合電路模擬圖進(jìn)行實(shí)物連線，還有助于學(xué)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(xué)生能夠?qū)⒊橄蟮碾娐穲D轉(zhuǎn)化為具體的物理實(shí)體，這一轉(zhuǎn)化過程極大地促進(jìn)了理論知識與實(shí)踐操作的融合。

2.3 軟件設(shè)置

采樣率類型選定為“單次采樣”，此設(shè)置有助于捕捉系統(tǒng)在特定時刻的瞬態(tài)響應(yīng)，減少數(shù)據(jù)冗余，提高分析效率。采樣率設(shè)置為1K，這一數(shù)值的選定基于實(shí)驗(yàn)需求與系統(tǒng)特性，旨在平衡數(shù)據(jù)精度與采集速度，確保能夠準(zhǔn)確反映系統(tǒng)動態(tài)變化。設(shè)置采樣長度為4K，該長度的選擇考慮了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shè)定為1。最后，點(diǎn)亮“信號輸出”按鈕，啟動信號源向系統(tǒng)發(fā)送階躍信號，觸發(fā)實(shí)驗(yàn)過程。圖3為實(shí)驗(yàn)平臺軟件設(shè)置界面。

2.4 階躍響應(yīng)分析

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新聚焦于學(xué)生自主探究與系統(tǒng)性能深度理解。學(xué)生首先通過虛擬儀器實(shí)驗(yàn)箱構(gòu)建控制系統(tǒng)的硬件模型，隨后在實(shí)驗(yàn)軟件中精準(zhǔn)配置參數(shù)并啟動實(shí)驗(yàn)，實(shí)時觀測由NI ELVIS硬件電路板輸出的階躍響應(yīng)波形。此過程中，若實(shí)驗(yàn)結(jié)果未能符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)生需主動調(diào)整電路配置或優(yōu)化參數(shù)設(shè)置，并反復(fù)迭代實(shí)驗(yàn)直至獲得滿意結(jié)果。

圖4為NI ELVIS硬件電路板輸出的階躍響應(yīng)波形，（a）為R=10K響應(yīng)曲線，（b）為R=49.9K響應(yīng)曲線。通過波形分析系統(tǒng)的性能，可以直觀地感受和理解系統(tǒng)的“穩(wěn)定性”、“快速性”及“準(zhǔn)確性”。學(xué)生在掌握基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)后，可以自由探索，通過調(diào)整數(shù)據(jù)獲得不同圖像，并從各種曲線分析中深入理解系統(tǒng)性能，同時，圖像分析有助于更好地闡釋和應(yīng)用理論知識。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施成效

長期以來，實(shí)驗(yàn)課程的評價體系主要依賴于教師的考勤記錄與實(shí)驗(yàn)報告的審閱，這種傳統(tǒng)模式在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中尤為顯著，其結(jié)果單一且易于預(yù)測，不料卻為部分學(xué)生提供了投機(jī)取巧的空間。一些“策略性學(xué)習(xí)者”敏銳地捕捉到這一制度性缺陷，導(dǎo)致了一種現(xiàn)象：課堂出勤率雖居高不下，但部分學(xué)生在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中卻扮演起了“隱形人”的角色，僅僅走個過場，課后則通過復(fù)制粘貼他人的實(shí)驗(yàn)成果或報告，輕松獲取與那些真正投入實(shí)驗(yàn)、獨(dú)立思考的學(xué)生相近的分?jǐn)?shù)。顯然，這種考核方式無法全面、公正地衡量每位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰εc學(xué)習(xí)態(tài)度。

為了破解這一困境，我們實(shí)施了實(shí)驗(yàn)考核體系的全面革新，旨在構(gòu)建一個多維度、立體化的評價體系，新體系不僅保留了實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)報告的核心地位，分別賦予其35%和30%的權(quán)重，以直接反映學(xué)生的實(shí)踐技能與總結(jié)能力；還創(chuàng)新性地引入了實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)（20%）作為前置評估環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)預(yù)習(xí)對于提升實(shí)驗(yàn)效率與理解深度的重要性。此外，特別增設(shè)了附加成績（15%），這一部分涵蓋了實(shí)驗(yàn)過程的即時反饋、同學(xué)間的合作表現(xiàn)，以及實(shí)驗(yàn)后的答辯交流等多元化指標(biāo)，旨在全面捕捉學(xué)生在實(shí)驗(yàn)全周期中的學(xué)習(xí)態(tài)度、團(tuán)隊(duì)協(xié)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(zhǔn)地刻畫每位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)軌跡，避免“一刀切”的評價方式所帶來的不公平現(xiàn)象。

圖5為歷年自動化專業(yè)4組學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績對比分析結(jié)果，數(shù)據(jù)清晰地展示了改革后學(xué)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(qū)分了不同學(xué)習(xí)態(tài)度和努力程度的學(xué)生，為教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)改進(jìn)提供了有力依據(jù)。

4 結(jié)語

將MATLAB語言和NI ELVIS硬件平臺應(yīng)用于自動控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(xué)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(jié)合的教學(xué)模式的變革，激發(fā)了學(xué)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(xué)生不再滿足于書本上的知識，而是渴望通過編程和實(shí)驗(yàn)去探索更多的未知領(lǐng)域，這種積極的學(xué)習(xí)態(tài)度，無疑將為他們未來的學(xué)術(shù)研究和職業(yè)生涯奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

基金項(xiàng)目：河南工學(xué)院教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目“基于軟硬件相結(jié)合的《自動控制原理綜合實(shí)驗(yàn)》教學(xué)研究與改革”（項(xiàng)目編號：DQXY-2024005），河南工學(xué)院教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：DQXY-2024002）。

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