自动控制原理课程设计的改革与实践

孙建平 郭曼利

华北电力大学控制与计算机工程学院 河北保定 071003

自动控制原理课程设计的改革与实践

孙建平 郭曼利

华北电力大学控制与计算机工程学院 河北保定 071003

自动控制原理是集理论性、实践性和应用性于一体的专业基础课，该课程设计以提高学生对专业的综合认知水平和强化自主学习能力为目的，是课程教学的重要组成部分。通过对课程设计的实验平台、实验内容、实验模式以及教学体系等一系列改革与实践，提高了学生的自主学习能力、动手实践能力、创新能力，取得了良好的教学效果。

自动控制原理；课程设计；改革；实践

自动控制技术在工业、农业、航空、航海、军事及人们的日常生活等领域中有着广泛的应用，自动控制原理课程是工业自动化、测控等相关专业的一门学科基础课程，在专业课程体系中占有重要的地位。［1］该课程的概念比较抽象，理论性与专业性很强，要求学生具有较强的抽象思维能力，学习难度大，不易被理解和掌握，而课程设计是保证该课程教学效果的重要组成部分。课程设计不但有利于学生对所学理论知识的理解和深化，而且能够锻炼学生的实践动手能力，培养学生的创新思维能力。传统的实验教学模式，以讲授教学方式为主，将书本上的定理和公式让学生机械地记住，却忽视对学生的创造才能和创新意识的培养。［2］因此，华北电力大学自动化系自动控制原理课程组在理论教学与实践教学中不断探索创新，从课程设计的实验平台、内容、模式及教学体系等多方面进行了深入的调研分析，提出本课程设计相应的改革措施和方法，并将之用于教学实践，在教学质量和人才培养方面取得了显著的效果。

1 创新课程设计的内容

1.1 实验平台的构建

为了满足学科素质教育的基本要求，以提高学生对专业的综合认知水平为教学目的，我校构建了具有实用性和开发性的课程设计实验平台，归纳起来主要有以下3种模式。

（1）基于Matlab的计算机控制仿真实验平台。Matlab软件具有强大的绘图和运算功能，是控制系统中计算机辅助设计与分析的一个卓越平台。将Matlab与自动控制原理课程设计相结合，实现了对传统教学模式的创新。作为自动化专业的学生，很有必要学会应用这一强大的工具，并掌握利用Matlab对控制理论内容进行分析和研究的技能，以达到加深对课堂上所讲内容理解的目的。另外我们希望通过使用这一软件工具把学生从烦琐枯燥的计算负担中解脱出来，而把更多的精力用到思考本质问题和研究解决实际生产问题上去。因此，我们设计了以下基于Matlab的实验：控制系统的时域分析，频域分析，根轨迹分析，超前、滞后校正等设计实验。这些实验要求学生掌握基于Matlab/SIMULINK的控制系统设计与分析的基本方法，编写M程序或画SIMULINK仿真图。如实验中在讨论基于根轨迹的校正方法时，为了使学生能够观察到添加开环零、极点对闭环系统的影响以及系统动态响应发生变化的情况，在Matlab中进行仿真实验，使学生能够更容易加深对根轨迹校正方法机理的理解。此实验方式方便灵活、教学成本低，拓展了学生的思维，有利于训练学生对复杂控制系统分析与设计的能力，同时还激发了学生的学习兴趣。

（2）基于实物物理对象系统的实验平台。很多学生在学习过程中都会有这样一个很困扰的问题：通过本课程的学习可以做什么？针对这样的问题，同时为提高学生对专业的整体认知水平，设计采用实际物理系统进行实验。本课程设计实验三——“随动控制系统的静、动态性能指标及系统校正”中，设计了一个小功率的直流发电机与电动机组成的控制系统。实验设备有：XSJ-3（或XSJ-2）型小功率直流随动系统学习机；直流稳压电源（用于XSJ-3型）；超低频长余辉示波器；数字万用表；超前网络板（用于XSJ-3型）。实验系统如下图1所示。

图1 小功率随动系统接线原理图

此实验与实际系统相当接近，虽然该课程设计的被控对象只是一个小型的控制系统，但是此控制系统具体、形象、直观且具有针对性及实用性。通过这样一个完整的课程设计实验，学生会对本专业具体的工作流程和研究方向有明确的认识，对自己所学专业知识的掌握程度有清晰的了解，增强了学生对自己实际专业能力的信心。

（3）计算机仿真实验和实物实验相结合的实验平台。在数字仿真环境中增加实物环节，针对计算机数字仿真系统及实物系统的特点，实物部分采用模拟实验箱，通过运算放大器、电容、电感、电阻等模拟元件搭建电路实验平台。仿真部分采用CAE2000软件搭建系统控制框图，如串联校正、状态反馈等复杂系统，既能够充分利用CAE2000中良好的图形界面接口，又能快速有效地搭建实际控制系统模型，还可以设计和修改控制率及控制参数来完成实验。本课程设计实验五——“频率特性测试”中体现这种实验模式。一阶惯性环节由模拟机实现，正弦信号源由D/A接口输入到模拟机，模拟机输出信号由A/D端口输入到计算机，通过CAE2000软件显示并打印曲线，实验五CAE2000组态图如图2所示。

图2 实验五CAE2000组态图

这种实验模式综合了数字仿真与实物对象的特点，不仅锻炼了学生的动手能力，而且能将理论知识应用到实际系统，还便于学生以各自认知能力探索新领域和构建新知识。

1.2 实验内容的组成

我校自动控制原理课程设计实验的内容主要分为两大类：基于Matlab的计算机辅助设计实验和综合设计性实验。基于Matlab的计算机辅助设计由7个实验组成：控制系统数字仿真实验，控制系统的时域分析、控制系统的频域分析、控制系统的根轨迹分析、控制系统的校正、离散控制系统分析、非线性系统分析。综合设计性实验包括5个实验分别为：典型环节的电模拟及其阶跃响应分析，随动系统的开环控制、闭环控制及稳定性实验，随动控制系统的静、动态性能指标及系统校正，控制系统频率特性分析，频率特性测试。在此基础上，增加了先进控制理论设计实验。由于我校以电力行业为背景，结合专业特色，突出工程背景，指导学生进行先进控制理论实验设计，以电力系统实际模型为例，进行同步发电机的励磁系统的课程设计与分析，采用先进控制理论中的新方法进行优化控制，如模糊PID。目的在于培养学生综合考虑问题、分析问题及解决问题的思维方式，全面锻炼学生的实践与创新能力，提高学生将控制理论知识应用于解决实际问题的能力，为今后进行实际系统的自动控制打下了良好的基础。

1.3 实验教学方式的创新

传统的实验教学方式是主讲教师首先通过对实验设计的基本原理、实验过程步骤、实验仪器设备的使用方法等内容详细的讲解，然后学生按照教师讲解的内容按部就班地进行操作并完成实验。学生虽然能够快速完成整个实验，但这种传统“填鸭式”和“灌输式”的教学实践会导致学生的惰性学习，缺乏主动思考，实验效果大打折扣。我们采用“启发式”和“引导式”的互动教学模式。在做实验前，让学生自己提前预习实验内容，查找资料，自己动手做实验。在实验过程中，教师只起引导的作用，分析总结，适时调控引导学生思考，学生便成为整个实验的主体，自由讨论问题。如果没有达到设计指标的要求，学生需要对系统及设计过程进行详细的分析直到查找出原因，并能从失败中总结出经验。鼓励学生与教师之间、学生与学生之间的相互交流与讨论，在讨论中能够深化自己的知识，对理论和实际问题能有更清晰的认识，达到知识之间的相互转化、学以致用的目的。学生在一定程度上由惰性学习转变为积极创新性学习，调动了学生学习的积极性，提高了学习效率。

2 创新课程设计的教学体系

在实践过程中，采用多层次培养、开放式指导、多元化考核体系的创新实践模式。

2.1 多层次培养

考虑到学生自身的基础以及能力的差异，把课程设计题目的难度分为“难、中、易”三个层次，对不同层次学生的具体要求标准不同。如基于仿真和实物实验平台的综合设计实验定为难度系数较大的课程设计，基于复杂实物系统实验平台的综合设计实验设定为中等难度，仅利用Matlab软件进行仿真的实验定为较为简单的课程设计。这种培养模式既能为稍差的学生提供锻炼的机会，又能为好的学生提供发挥潜能的平台。

2.2 开放式指导

开放式指导模式是指导教师给出课程设计题目之后，学生根据自己的实际情况，自由组队，自主选择题目。在布置课程设计的任务时，教师只简单介绍题目设计的要求、要达到目的，具体实施的方案由学生自己选择确定。鼓励学生独立查阅资料，分析解决问题，最终完成课程设计的任务。这种指导模式有利用达到课程设计的目的。

2.3 多元化考核体系

考核虽然不是学习的最终目的，但是合理的课程考核体系是提高教学水平、调动学生学习积极性的重要环节。传统的考核体系指学生的成绩主要依赖于学生的实验报告内容的完成程度及书写的整洁性来决定，该成绩评定方式存在一定的片面性，不利于对学生的综合评价，达不到良好的测评效果。结合多层次培养模式，将成绩的评定与课程设计题目的难易程度相联系，不同难度的题目设置了不同的成绩上限，最终的成绩采用分级评分，如优秀、良好、及格和不及格。实施多元化的考核方式，教师根据学生平时表现、完成课程设计的质量、创新内容及最终答辩结果做出综合评价，给出最后的考核成绩。通过这4个方面的综合考核，教师可以比较准确地掌握学生的实验操作能力、观察分析能力和创新思维能力，从而对每一位学生给予综合评定，这种考核方式在很大程度上激发了学生学习的积极性。

3 课程设计改革的成效

通过近几年课程设计实验的改革和实践，我校在教学建设及教学效果方面取得了显著成绩。一方面，自动控制原理理论课程设计的教学内容、教学方式及实验环节的不断更新，自主开发的实验设备“CAE2000控制系统辅助教学软件”已经广泛应用于实验教学中，此系统获得河北省教学成果二等奖，创建了省级精品课程，进行了大量的教学建设和改革工作，获得了丰硕的教学研究成果；另一方面，创新的教学内容，激发学生的学习兴趣，使学生积极参加控制领域的科研课题研究，学习前沿知识，拓宽视野，不断提高认知水平及自主学习能力。改善的实践教学模式，不仅提高了学生对实际系统分析、设计、研发方面的工程实践能力，而且培养了学生的创新意识，使华北电力大学自动化及相关专业的学生获得更扎实的理论基础，更宽的知识面，更强的实践创新能力。学生积极参加全国大学生电子设计竞赛、机器人竞赛、智能汽车竞赛等各种竞赛和科技活动，并取得了优秀成绩。

4 结束语

通过对自动控制原理课程设计的改革与实践，构建了具有先进性、多功能性及实用性于一体的课程设计实验平台；基于创新教学理念，提出了多层次培养、开放式指导及多元化考核体系的创新课程设计的教学模式，使学生对该专业有明确的认识，达到了学生对所学自动控制课程知识的综合实践的目标。通过长期的实践，学生主动思考、主动参与的积极性有了很大的提高，动手实践的能力得到锻炼，取得了良好的教学效果。要全面提高教学效果、增强学生综合能力还需要各方的不断努力和探索。教师在教学中需要不断的学习教育理论，积极探索教学方法，不断提高自身素质才能培养符合专业培养目标及社会需求的优秀人才。

［1］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，2008，29（6）：91-93.

［2］结硕，韩光胜.Matlab在自动控制原理实验中的应用［J］.实验技术与管理，2012，29（2）：95-97.

［3］王柯，周延延，吴晓燕.“自动控制原理”课程实验教学改革与探索［J］.中国电力教育（上），2013（34）：140，149.

［4］于希宁，孙建平.自动控制原理［M］.北京：中国电力出版社，2008.

Reform and Practice of Curriculum Design of Automatic Control Theory

Sun Jianping， Guo Manli
North China Electric Power University， Baoding， 071003， China

Automatic Control Theory is a professional basic course which is a set of theory， practice and application. The course design is an important part of the course teaching， whose purpose is to improve professional comprehensive cognitive level and enhance the learning ability.With the reform and practice of the experimental platform， experiments， experimental models and teaching system， it can improve the self-learning ability， practical ability and innovation ability of students， and has achieved good teaching results.

automatic control theory； curriculum design； reform； practice

2015-04-13

孙建平，博士，教授。通讯作者：郭曼利，在读硕士研究生。

华北电力大学教育改革立项项目。