注重工程应用的自动控制原理实验教学改革

万敏+王瑛

摘要：传统的自动控制原理实验存在一定的局限，提出加强工程应用背景的实验教学改革。通过增加演示实验，重视实验对象数学模型的建立以及开发使用有工程应用背景的虚拟实验平台，可以提高学生的工程实践能力和创新能力，全面提高学生的专业素质。

关键词：自动控制原理；实验教学；仿真

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）44-0117-03

《自动控制原理》是高校电类、机械类等专业一门重要的专业基础理论课，要求学生掌握自动控制系统的分析和设计方法，为设计和调试自动控制系统打下基础。该课程知识覆盖面广、内容多、更新发展快、理论性和应用性都很强，具有一定深度和复杂性[1]。自动化也是一门面向被控对象，解决实际问题的学科。学生既要掌握自动控制理论，还要能将所学到的理论与解决实际问题相结合[2]。所以做好控制实验是学好这门课程非常重要的一环，学生可通过实验加深对抽象的理论知识的理解，同时提高学生的动手实践能力。

一、传统自动控制原理实验教学

传统的自动控制实验有存在很大的问题，控制的工程应用背景和控制理论的联系脱节比较严重。大部分高校的自动控制原理实验缺少实际的控制对象，采用的都是模拟电路的控制实验箱和MATLAB的仿真，通过对传递函数的模拟电路实现，或者用MATLAB/SIMULINK仿真，观察输出的响应曲线、根轨迹图、波特图等，偏重于对控制理论的验证和数学推导计算。这样的实验方式，虽然在培养学生动手能力，加深对课堂学习内容的印象等方面有一定的作用，但也存在局限，那就是学生接触不到真实的控制对象，无法将控制原理和实际的工程应用结合起来，无法满足开放性和设计性的实验教学。

由于对控制的现象没有直观表达，学生实验起来觉得偏理论和抽象，图表曲线与实际被控对象无法联系起来，这样的实验并没有很好地起到培养工程实践能力和创新能力的效果。如何将抽象的没有任何物理含义的传递函数与被控对象的物理概念在学生的头脑中联系起来，是自控理论和实验教学的重要目的。否则面对实际控制任务，依然不知该如何应用所学知识解决实际问题。

二、加强工程应用背景，改革实验教学

目前的自动控制原理理论教学，也在进行着一系列的改革，由原先的课堂只注重数学公式的分析推导和定理证明，开始注重加强工程应用背景[3]。实验教学是为了更好地消化和学习理论知识，也要紧随理论教学，强化自动控制原理的工程应用背景，而不仅仅是模拟电路搭建和MATLAB仿真。

1.增加演示实验。兴趣是学习最好的导师，首先要培养学生对这门实验课的兴趣。控制理论书上有很多被控对象的实例，但对学生来说，被控系统对象比较陌生，比如被控机床等，且更偏重对控制理论的表述，学生们一下子无法将各种数学表达式和图表与实际控制现象联系在一起。可将生活和工业生产活动中的各种常见的控制现象拍摄成录像，在实验教学时，演示给学生看，告诉学生，控制的现象在生活生产中的广泛性和重要性。带学生们参观控制实验室的设备实物，让学生们真切地感受控制的现象，让控制理论不再仅仅是书本上枯燥的公式推导和抽象的图表，提高实验学习的兴趣。

2.重视数学模型的建立。数学模型是描述系统内部各物理量（或变量）之间关系的数学表达式，建立一个合理的模型是系统分析和设计的前提[4]。在设计实验内容时，应注意选取有实际工程应用背景的数学模型。每个实验的数学模型参数都是有实际物理意义的，但以往的实验教学，往往忽略了对数学模型的建立和理解。学生在实验的过程中，只看到了传递函数和阶跃响应曲线，脑海里却没有和实际的控制对象挂钩，导致实验的效果只停留在对理论的验证，对函数的数学计算和模拟电路的搭建层面，而忽略了最本质的控制对象。学生也会觉得实验和他们的想象有差距，明明说好了控制实验，结果却是模拟电路的搭建或者MATLAB/SIMULINK仿真，导致学生对实验的兴趣不高。在实验教学时，不妨将每次实验的数学模型后面的实际被控系统为学生做讲解，让学生在头脑中形成联系，超调量和调节时间这些响应曲线上的指标也有了实际的物理含义。教学时选取控制工程中的典型范例，突出工程背景，从实际控制系统中了解系统的结构特征、工作原理和设计要求，拓宽学生的视野，激发他们的创新欲望[5]。

3.使用虚拟实验平台。面对经费和场地的缺少，实物的控制实验装置数量不能满足数量众多的本科学生。且对于基础专业学习来说，学生素质参差不齐，实物系统控制分析略显复杂，需要对模型进行简化和线性处理，超出了基础理论学习的要求，需要到课程设计实践或者专业性更强的学习阶段才能实现。虚拟实验技术从某些方面很好缓解了这个问题。给学生一个可视的实物仿真控制实验平台，对于学生能直观了解和观察控制的现象非常有帮助。虚拟实验教学将成为一种有效的教学模式。通过对一些典型的控制对象如水箱、倒立摆、磁悬浮球、电机等进行仿真，将典型的控制对象可视化，从而强化学生对控制系统概念的理解，提高其分析、设计控制系统的能力，激发学生的创新理念。

如上页图1所示是基于MATLAB GUI的水箱控制系统仿真软件主界面，在软件主界面上，“参数输入”模块进行系统参数的设置，“系统阶次选择”提供选择水箱阶次，从“一阶到三阶”。“动态响应”模块提供了系统响应曲线的动态演示，“参数输出”模块显示系统的动态性能指标和系统闭环传递函数。“水箱动画演示”模块会实时演示液位变化的控制过程，菜单栏的“绘图选项”还可以进行系统根轨迹以及Bode图的绘制。“模糊PID”控制还可以让学生学习设计模糊PID控制参数。在实验时，可以让学生运用理论学习的知识，自行设计控制参数，达到满意的控制效果。通过软件的运行，可以观察水箱控制的仿真全过程。

仿真可以忽略一些实际问题，简化了被控系统的模型，建立理想化模型，让实验设计和完成也变得相对容易。从而提高学生学习的自主性和实验教学的质量。也方便教师的实验教学和管理，教师有更多的时间研究开发实验，维护实验室，有效地缓解了目前实验教学资金不足、场地短缺以及实验辅导教师人员不足的压力。endprint

具有可视化对象的虚拟实验平台是提高学生工程实践能力的有效途径，经过在实验平台的仿真和模拟，再根据学生的兴趣和能力，能够引导其对真实的控制对象设备进行研究和开发，是开发自动控制虚拟实验平台的最终目的。

用虚拟实验软件平台代替传统实验室，用软件模拟实际硬件的功能，节约了成本，不受实验时间和场地的限制，提高了实验教学效果。既培养了学生在计算机仿真和系统设计方面的能力，同时又不忽略对被控系统的工程背景认识，还可以加深学生对所学理论知识的理解，提高实践动手能力[6]。

4.开放控制实验室。自控实验学时有限，传统实验室又是非开放性的，要想在有限学时里巩固学习实验内容，达到满足实验要求和促进课程理论教学的目的，显然有些困难。对于学有余力的同学，开放控制实验室也是一个很好的办法。配置几套典型的控制实验系统，如伺服电机、水箱等，给有兴趣的学生课余时间学习和研究控制系统的设计方法。学生可以自行查找资料，设计控制方法，给学生提供独立的思维空间和足够的操作时间，老师再加以辅导，帮助学生将理论活学活用，真正地投入工程应用实践。

三、结语

结合工程应用背景，不但可以使学生对理论有更深刻的理解，同时也会提高学生的学习兴趣。让学生明白控制什么，怎么控制，清楚地看到控制的效果，学习目的更加明确，动手能力明显提高。在实验中体现理论上所讲重要概念和其应用，逐步培养学生解决实际问题的能力。对《自动控制原理》实验教学的改革有利于提高学生的思维能力、动手能力和创新能力，全面提高学生的综合素质。

参考文献：

[1]王建辉，徐林，顾树生.自动控制原理实验教学的改革[J].实验室研究与探索，2005，（24）：192-195.

[2]魏衡华.系统与控制实验教学研究与建设[J].教育与现代化，2003，（3）：9-12.

[3]唐超颖，姜斌.“自动控制原理”课程的探究性教学实践[J].电气电子教学学报，2007，（29）：91-93.

[4]胡寿松.自动控制原理[M].第四版.北京：科学出版社，2003.

[5]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（社科版），2005，（3）：84-86.

[6]刘艳，尤源.《自动控制原理》课虚拟实验教学的改革与实践[J].装备制造技术，2010，（4）：186-187.

基金项目：2012年度南京航空航天大学“实验技术研究与开发”项目

作者简介：万敏（1983-），女，江苏泰兴人，工学硕士，实验师，研究方向为控制理论与控制工程。endprint

具有可视化对象的虚拟实验平台是提高学生工程实践能力的有效途径，经过在实验平台的仿真和模拟，再根据学生的兴趣和能力，能够引导其对真实的控制对象设备进行研究和开发，是开发自动控制虚拟实验平台的最终目的。

用虚拟实验软件平台代替传统实验室，用软件模拟实际硬件的功能，节约了成本，不受实验时间和场地的限制，提高了实验教学效果。既培养了学生在计算机仿真和系统设计方面的能力，同时又不忽略对被控系统的工程背景认识，还可以加深学生对所学理论知识的理解，提高实践动手能力[6]。

4.开放控制实验室。自控实验学时有限，传统实验室又是非开放性的，要想在有限学时里巩固学习实验内容，达到满足实验要求和促进课程理论教学的目的，显然有些困难。对于学有余力的同学，开放控制实验室也是一个很好的办法。配置几套典型的控制实验系统，如伺服电机、水箱等，给有兴趣的学生课余时间学习和研究控制系统的设计方法。学生可以自行查找资料，设计控制方法，给学生提供独立的思维空间和足够的操作时间，老师再加以辅导，帮助学生将理论活学活用，真正地投入工程应用实践。

三、结语

结合工程应用背景，不但可以使学生对理论有更深刻的理解，同时也会提高学生的学习兴趣。让学生明白控制什么，怎么控制，清楚地看到控制的效果，学习目的更加明确，动手能力明显提高。在实验中体现理论上所讲重要概念和其应用，逐步培养学生解决实际问题的能力。对《自动控制原理》实验教学的改革有利于提高学生的思维能力、动手能力和创新能力，全面提高学生的综合素质。

参考文献：

[1]王建辉，徐林，顾树生.自动控制原理实验教学的改革[J].实验室研究与探索，2005，（24）：192-195.

[2]魏衡华.系统与控制实验教学研究与建设[J].教育与现代化，2003，（3）：9-12.

[3]唐超颖，姜斌.“自动控制原理”课程的探究性教学实践[J].电气电子教学学报，2007，（29）：91-93.

[4]胡寿松.自动控制原理[M].第四版.北京：科学出版社，2003.

[5]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（社科版），2005，（3）：84-86.

[6]刘艳，尤源.《自动控制原理》课虚拟实验教学的改革与实践[J].装备制造技术，2010，（4）：186-187.

基金项目：2012年度南京航空航天大学“实验技术研究与开发”项目

作者简介：万敏（1983-），女，江苏泰兴人，工学硕士，实验师，研究方向为控制理论与控制工程。endprint

具有可视化对象的虚拟实验平台是提高学生工程实践能力的有效途径，经过在实验平台的仿真和模拟，再根据学生的兴趣和能力，能够引导其对真实的控制对象设备进行研究和开发，是开发自动控制虚拟实验平台的最终目的。

用虚拟实验软件平台代替传统实验室，用软件模拟实际硬件的功能，节约了成本，不受实验时间和场地的限制，提高了实验教学效果。既培养了学生在计算机仿真和系统设计方面的能力，同时又不忽略对被控系统的工程背景认识，还可以加深学生对所学理论知识的理解，提高实践动手能力[6]。

4.开放控制实验室。自控实验学时有限，传统实验室又是非开放性的，要想在有限学时里巩固学习实验内容，达到满足实验要求和促进课程理论教学的目的，显然有些困难。对于学有余力的同学，开放控制实验室也是一个很好的办法。配置几套典型的控制实验系统，如伺服电机、水箱等，给有兴趣的学生课余时间学习和研究控制系统的设计方法。学生可以自行查找资料，设计控制方法，给学生提供独立的思维空间和足够的操作时间，老师再加以辅导，帮助学生将理论活学活用，真正地投入工程应用实践。

三、结语

结合工程应用背景，不但可以使学生对理论有更深刻的理解，同时也会提高学生的学习兴趣。让学生明白控制什么，怎么控制，清楚地看到控制的效果，学习目的更加明确，动手能力明显提高。在实验中体现理论上所讲重要概念和其应用，逐步培养学生解决实际问题的能力。对《自动控制原理》实验教学的改革有利于提高学生的思维能力、动手能力和创新能力，全面提高学生的综合素质。

参考文献：

[1]王建辉，徐林，顾树生.自动控制原理实验教学的改革[J].实验室研究与探索，2005，（24）：192-195.

[2]魏衡华.系统与控制实验教学研究与建设[J].教育与现代化，2003，（3）：9-12.

[3]唐超颖，姜斌.“自动控制原理”课程的探究性教学实践[J].电气电子教学学报，2007，（29）：91-93.

[4]胡寿松.自动控制原理[M].第四版.北京：科学出版社，2003.

[5]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（社科版），2005，（3）：84-86.

[6]刘艳，尤源.《自动控制原理》课虚拟实验教学的改革与实践[J].装备制造技术，2010，（4）：186-187.

基金项目：2012年度南京航空航天大学“实验技术研究与开发”项目

作者简介：万敏（1983-），女，江苏泰兴人，工学硕士，实验师，研究方向为控制理论与控制工程。endprint