自动控制原理模块化实验教学模式研究

高宏岩，张开如

(山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590)

自动控制原理模块化实验教学模式研究

高宏岩，张开如

(山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590)

对自动控制原理实验教学模式进行研究，根据不同专业、不同层次学生的需求，将实验教学划分为四个模块，即验证性、设计性、创新性和综合性实验模块，并给出了四个实验模块的内容设计和实施办法。教学实践表明，形式多样的实验教学设计有助于培养学生创新能力和工程意识，加深学生对自动控制原理基础知识的理解，提高学生分析和设计控制系统的能力。

自动控制原理；实验教学；模块化；研究

自动控制原理是工科院校电气信息类、机械类等相关专业的一门重要的专业基础课程，其主要任务是通过控制理论的学习，使学生掌握分析和设计控制系统的基本方法[1]，培养学生解决控制工程问题的实践能力和创新能力。自动控制原理课程概念抽象，数学推导烦琐，往往造成学生对课程的理解停留在理论层面上，难以将理论和实际有机结合。通过对自动控制原理实验教学内容的合理设计，不仅可以加深学生对控制理论知识的理解，也有利于提高学生解决控制工程问题的实践能力和创新能力[2]。在山东科技大学原有的自动控制原理实验教学中，验证性实验占有主导地位，即学生在自动控制原理实验箱上，遵循实验指导书中的实验步骤完成实验接线，便可获得所需的实验结果。针对上述问题，我们对自动控制原理课程的实验教学模式进行了改革和探讨，根据不同专业、不同层次学生的需求，将实验教学内容设计为四个实验模块：(1)验证性实验；(2)设计性实验；(3)创新性实验；(4)综合性实验。这种实验教学设计旨在通过各种形式的实验教学环节，活跃学生的思维，使实验手段多样化，不再局限于实验指导书所限定的范围之内，有助于培养学生探索精神和创新意识，充分发挥实验本身的效能。

1 自动控制原理实验体系研究

我校自动控制原理课程是山东省精品课程，其实验课程开设面向自动化、电气工程及其自动化、电子信息工程、生物医学工程、建筑环境与设备工程、测试技术与仪器等诸多专业，修课学生人数近千名。由于学生的专业背景不同，自动控制原理实验课程应根据学生的专业特点和层次需求有所侧重。经过近几年的教学实践，我们构建了“验证性实验+设计性实验+创新性实验+综合性实验”模块化模式的自动控制原理实验课程体系。这种模块化模式的实验课程体系以培养学生基本技能的验证性实验为基础。验证性实验将抽象的理论知识以实验的方式具体化、形象化，学生通过熟悉实验过程和观察实验现象，加深对控制理论知识的理解。与验证性实验不同，设计性实验不是由教师给出完整的实验过程，而是由学生根据给定的设计目标自行设计实验过程，要求学生运用自动控制基本原理进行简单控制系统的控制器设计，掌握改善控制系统性能的方法，实现基本理论的实际应用。验证性和设计性实验是所有修课学生的必修实验。自动控制原理创新性实验是山东科技大学电气与自动化学院电气信息类本科学生开设的“创新性实验”选修课程之一。创新性实验为全院本科生提供了一个自主选择题目、自由发挥能力的平台，其目的在于培养学生的创新意识、发散思维和工程实践能力。综合性实验中，将实验室具有的实物对象提供给学生进行设计和开发，学生可以根据自己的兴趣爱好选取实验题目，并综合利用自动控制原理知识及相关学科知识完成实验设计和实验操作。基于实物对象的综合性实验更有利于学生将所学的基础理论知识与生产实际相结合，对培养学生的工程应用意识具有重要作用。

为了兼顾学院目前现有的实验条件，各类型实验可以采用不同的实验方案。例如，基于自动控制原理实验箱的硬件模拟实验、基于Matlab或Multisim软件的仿真实验和基于实物对象的实验方案。目前学院实验室拥有40套自动控制原理实验箱，可以满足修课学生开设验证性和设计性实验的要求。在自动控制原理的硬件模拟实验中，学生通过模拟电路的接线、调试和测量，增强对控制系统信号传递、系统组成的理解，进一步熟悉示波器等仪器设备的使用方法[3]。基于Matlab的数字仿真实验可以简化设计过程，锻炼学生通过数学工具分析和解决实际问题的能力，提高学生的科学素养。基于Multisim的仿真实验不再受实验设备的限制，学生在完成自动控制原理实验的同时，掌握了模拟/数字电路的基本设计方法。基于实物对象的实验环境模拟了工业现场，实验操作和现场操作具有极大的相似性，学生身临其境进行实验设计、硬件接线和现场调试，使学生的工程设计和应用能力得到全面训练。

2 模块化实验教学内容设计

2.1 验证性实验设计

验证性实验是学生按照实验指导书列写的实验步骤，完成实验操作，并通过对实验结果的分析，验证所学的理论知识。验证性实验可以加深学生对抽象化理论的理解，加强学生实验技能和处理、分析实验结果的能力[4]。验证性实验运用自动控制原理实验箱上的放大器、电阻、电容等模拟器件组成典型环节和典型系统，学生按照指导书中的实验步骤对模拟器件进行连线和测试，并通过计算机上安装的虚拟示波器观察实验现象[5]。验证性实验的特点是简单、直观而且易于实现。验证性实验内容涉及控制系统的分析问题，包含了7个典型实验：典型环节的时域响应；典型系统时域响应和稳定性分析；线性系统的根轨迹分析；线性系统的频率响应分析；离散系统的稳定性分析；典型非线性环节实验；二阶非线性系统实验；三阶非线性系统实验。对于不同专业的学生，因为授课内容和实验学时不同，可以从上述实验中选择全部或部分实验开设。

2.2 设计性实验设计

自动控制原理实验箱的愈加完善，实验指导步骤的愈加详细，使得验证性实验更易于实现，学生只要按部就班地完成正确接线，即可较快地获得实验结果。这类实验方式仅是对理论的验证，缺少必要的实验设计环节，在一定程度上限制了学生学习能动性的发挥。为弥补验证性实验的不足，将原来4个涉及控制系统设计问题的验证性实验改为设计性实验。这4个实验是：线性连续系统的校正；采样控制系统的校正；状态反馈设计与实现；状态观测器设计。对于设计性实验，仅仅给定实验题目、目的和要求，同时提供实验设备，让学生结合书本知识自行设计实验方案和模拟电路，并在模拟实验箱或Multisim仿真软件上加以实现和验证。由于篇幅所限，仅以第一个实验“线性连续系统的校正”为例加以说明。

1)实验目的和要求

(1)通过实验使学生掌握串联校正网络的设计方法以及控制系统模拟实现方法；

(3)设计校正前、后系统的模拟电路，并用自动控制原理实验箱或Multisim仿真软件加以实现；

(4)比较校正前、后系统的性能指标，验证设计的校正网络是否能使校正后系统满足性能指标的要求。

2)实验设备：PC机一台，TD-ACC系列自动控制原理实验箱一套。

与验证性实验相比，设计性实验指导书不再列写实验原理，学生要根据实验要求自己结合所学理论知识进行实验原理分析和设计，使学生从“享用美食”转变为“制作美食”，突出了学生在实验中的自主性，有效地提高了实验效能[6]。

2.3 创新性实验设计

创新性实验是在设计性实验基础上引入了工程应用背景，与设计性实验相比，创新性实验突出自主性和开放性的特点。自主性是指学生自主选择实验题目，自主设计实验方案，自主选择实验时间，自主完成实验和实验报告，指导教师的任务主要是管理和提供基础支持。创新性实验不占用实验学时，学生只要在规定的学期内完成即可。开放性是指学生通过实验室开放活动完成实验，指导教师进行阶段检查和最终实验考核。创新性实验对建模方法、设计方法、控制方式、控制装置和实现手段等不做任何限制，因此有利于扩展学生的思维，培养学生的创新意识。

根据我院“创新性实验”实施意见，拟定了以下6个实验题目：机器人控制系统的设计与模拟实现；天线指向控制系统的设计与模拟实现；汽车点火控制系统的设计与模拟实现；双容、三容水箱控制系统的设计和模拟实现飞机速度和姿态控制系统的设计与模拟实现；电缆卷线机控制系统的设计和模拟实现。指导教师对控制系统性能指标提出要求，并给出选题建议供学生参考，选题建议一般为：

1)按照校正方法，可选项有：频域设计法、根轨迹设计法和状态反馈设计法等。

2)按照校正方式，可选项有：串联校正、反馈校正和复合校正等。

3)按照校正装置，可选项有：有源校正和无源校正，有源校正包括PID控制器等，无源校正包括超前校正、滞后校正和滞后—超前校正等。

4)按照信号的连续性，可选项有：连续控制系统设计和离散控制系统设计，离散控制系统设计又包括模拟化设计方法和直接数字化设计方法。

5)按照实现手段，可选项有：Matlab、Multisim软件模拟实现或模拟电路实现等。

创新性实验突出了学生的主体作用，给予学生一个独立思维和自由发挥能力的空间。学生只要独立完成了实验并且实验结果满足题目要求，指导教师可以认定实验通过并给予相应的创新学分。

2.4 综合性实验设计

综合性实验是以实物对象为被控对象，在综合运用自动控制原理课程知识和与本课程相关课程知识基础上，完成自动控制系统分析和设计[7]。验证性实验、设计性实验和创新性实验中，被控对象是用模拟电路或仿真软件实现的，而综合性实验中被控对象是实物对象。综合性实验是我院自动化专业必修实验，根据实验室现有的设备，开设的综合性实验项目有：单容、双容水箱液位控制系统实验；锅炉温度控制系统实验；直流电机速度控制系统实验；倒立摆控制系统实验。综合性实验要求学生自行选择题目，并通过查阅自动控制原理、自动检测技术、过程控制系统、运动控制系统等书籍资料独立完成实验，这样可以充分发挥学生主观能动性，培养学生综合运用所学知识解决实际控制工程问题的能力。

学生通过实物对象完成综合性实验，可以掌握控制系统分析、设计和调试的一般方法，加深对自动控制系统的稳定性、快速性、准确性和抗干扰能力等问题的理解，有助于学生的工程应用意识和开拓创新能力的培养。

3 结束语

21世纪，培养具有创新能力的高级工程技术人才是高等院校人才培养的重要任务。实验教学不仅是对理论知识的验证，更重要的是培养学生动手实践能力和创新能力。从培养学生创新意识和工程实践能力出发，对自动控制原理模块化实验教学模式进行了探讨。在验证性实验基础上，增设了设计性、创新性、综合性实验模块，形式多样的实验模块调动学生主动思考、乐于探索的积极性，提高学生分析和设计实际控制系统的能力，达到培养学生发散思维的目的。

[1] 丁勇, 王从庆.《自动控制原理》课程的教学改革与实践[J]. 南京航空航天大学学报：社会科学版, 2005, 7(1): 84-86.

[2] 王永川, 李小民, 江涛. 自动控制原理设计性实验教学探讨[J]. 电气电子教学学报, 2009, 31(1): 10-12.

[3] 鄢圣茂, 宋立忠.“自动控制原理”实验教学研究与实践[J]. 中国电力教育, 2011(27): 137-139.

[4] 杨宁飞, 邵晓蓉. 工科验证性实验教学方法的探讨—以土木工程材料实验为例[J]. 高教论坛, 2011(2): 72-74.

[5] 孙洁.“自动控制原理”实验教学改革的实践[J]. 电气电子教学学报, 2009, 31(6): 69-70.

[6] 张栋. 自动控制原理实验教学改革探索与实践[J]. 实验室科学, 2011, 14(5): 37-40.

[7] 王彤.浅议基础课教学实验室的管理工作[J].辽宁工学院学报：社会科学版, 2004, 6(6): 93-94.

Study on Modular Experiment Teaching of Automatic Control Principle

GAO Hongyan, ZHANG Kairu

(College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

The experimental teaching of automatic control principle is studied in this paper. According to the needs of different majors and different levels of students, the experiment teaching is divided into four modules: verification experiments, design experiments, innovative experiments and comprehensive experiments. The experiment content design and implementation measures for four modules are presented. The teaching practices show that the various forms of experiment teaching design are helpful to cultivate students’ innovative ability and engineering consciousness. Furthermore, they deepen the students’ understanding of basic knowledge ofautomaticcontrolprinciple, and improve the students’ ability to analyze and design control system.

automatic control principle; experimental teaching; modular experiment;study

2014-05-27

山东省高等学校青年骨干教师国内访问学者项目经费资助(0110006)；山东省高等学校自动控制原理精品课程(2011BK025)；山东科技大学教育教学研究“群星计划”项目(qx2013239)；山东科技大学自动化学院名校工程建设项目(MX-KCJS-3)。

高宏岩(1971-)，女，博士，副教授，研究方向：控制理论及其应用。

G

doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.022