“自动控制原理”实验设计与教学改革思考

盛守照, 叶冯超, 孙臣武

(南京航空航天大学 自动化学院， 江苏 南京 210016)

“自动控制原理”实验设计与教学改革思考

盛守照, 叶冯超, 孙臣武

(南京航空航天大学 自动化学院， 江苏 南京 210016)

“自动控制原理”课程作为自动化专业重要的基础课程，它对实验教学提出了很高要求。本文针对“自动控制原理”实验教学现状，结合典型的伺服实验平台，从实验设计和实验教学改革两方面探讨提升实验教学质量的措施，以深化学生对控制理论的理解，提升学生的实践能力。

自动控制原理；实验设计；实验教学改革；伺服系统

0 引言

“自动控制原理”课程作为自动化专业主干课程，涵盖面广，理论性强，内容抽象。学好该门课程，不仅需要数学和电类等方面知识，还需要将理论与实际相结合[1]。目前，国内多数高校的“自动控制原理”课程采用以下几种实验教学方式：①运用Matlab开展控制系统设计与仿真。通过建模得到对象传递函数，再运用时域和频域方法进行系统性能分析与综合设计[2]。这一过程主要在理论层面研究抽象的传递函数，学生难以建立控制器与被控对象的相互关系概念。②利用硬件实验箱作为实验工具，开展控制系统相似模拟实验。例如使用电阻、电容和电感等元器件模拟比例、积分、微分和惯性等典型环节[3]，这种实验模式缺乏直观性。③利用复杂的控制系统开展实验教学。例如利用倒立摆、小车运动控制系统和三容水箱作为对象构建相应的实验平台，再利用Matlab开展控制设计，但这些复杂的实验平台往往不适用于基础教学[4]。

因此，有必要从实验设计和实验教学两方面探讨提升实验教学质量的措施，以深化学生对控制理论的理解，提升学生的实践能力。

1 实验设计改革

伺服控制系统输出能够以一定准确度跟随输入变化，快速跟踪和准确定位是其重要技术指标，符合自动控制原理的稳、准、快的控制思想[5]。从实验设计角度而言，以伺服控制系统作为实验平台，能将理论与应用紧密结合，可以更好地锻炼学生的动手能力，增强学生的工程经验。

图1为针对实验设计改革所设计的伺服控制系统综合实验平台。作为执行元件的力矩电机与反馈元件的光电编码器同轴安装于台体内部，台体顶部圆盘为负载设备，电机直接与圆盘相连驱动负载。整体结构如图2所示。实验平台配备了不同转动惯量的负载，可通过固定支架安装在转台的转盘顶部，从而可以有效模拟不同负载特性的系统。

图1 伺服系统及其控制器实物图

图2 伺服控制系统机械结构示意图

以位置控制系统实验为例说明，控制结构如图3所示，其中，β和Kv分别为电流环和速度环反馈系数，θr,θc和Tc分别为系统输入输出和扰动输入信号，ep为位置误差信号，ωr为速度环指令信号，u为伺服系统的控制电压信号，Gv1(s)和Gv2(s)组合构成速度回路串联校正，Gpl(s)和Gp2(s)组合构成位置回路串联校正，Gf(s)为前馈补偿控制，Gn(s)为扰动补偿控制，扰动耦合通道的传递函数为Kn(τns+1)。

学生通过配置位置环和速度环各控制环节，可开展不同类型的控制实验，具体包含以下实验项目：

(1)开环系统建模实验：通过阶跃响应或频率

图3 位置控制结构图

特性实验，对开环系统进行建模。例如对开环系统施加不同频率的激励信号u，通过对记录的输入输出信号进行FFT(快速傅里叶)变换，得到开环系统的频率特性，如图4所示，学生可根据频率特性曲线拟合开环系统的传递函数。

图4 频率特性图

(2)伺服系统时域和频域响应实验：通过整定速度环和位置环控制参数，改善伺服系统跟踪位置指令信号的能力，图5为伺服系统位置阶跃响应曲线实例图。

图5 位置阶跃响应

(3)伺服系统频域校正实验：采用频域法整定串联校正环节参数，以改善系统跟踪性能。频域校正除了常规的超前校正、滞后校正、滞后-超前校正外，本实验平台还引入了二级串联校正，主要用于提供较大相角超前量等情况。

(4)伺服系统复合校正实验：对于控制系统存在的外部扰动，尤其是低频扰动，或者对系统稳态精度和响应速度要求很高时，单独采用反馈控制校正往往难以满足要求，为此结合前馈校正和串联校正两种方式，以更好地改善系统输出性能。

同理，可利用综合实验平台开展速度控制实验。由此可见，综合实验平台具备现实控制系统的完整性及实验内容多样性的特点与优势，提供了丰富的可选实验项目，并且贴合工程实际，有助于学生通过实践加深对控制理论的理解，为提高学生的工程实践能力及动手能力提供了很好的实验条件。

2 实验教学改革

2.1 优化实验平台，完善教学内容

“自动控制原理”实验教学需要立足于专业培养目标，从改革和完善实验教学内容入手，全面审视以往实验教学环节中出现的问题，充分利用综合实验平台的资源优势，对实验项目进行优化与整合。

在实验类型上看，利用综合实验平台可开设理论验证型、功能设计型和系统综合型等多种实验形式，由浅入深、循序渐进。

理论验证型实验以理论基础为核心，学生通过实验平台验证控制基础理论，加强对控制基本概念的理解，例如开展阶跃响应实验时，可直观观察不同控制结构和参数下系统的动态响应。

功能设计型实验给定实验条件和实验要求，让学生自己设计实验方案并加以实现，例如PID实验、串联校正实验和扰动补偿控制实验等，要求学生结合基础实验所获得的结论，设计出满足一定性能要求的控制系统，锻炼学生分析问题和解决问题的能力。

系统综合型实验是在了解和掌握上述的验证型实验和设计型实验的基础上，进一步开拓创新，要求学生以整个控制系统为对象设计出一套能满足各项性能指标要求的控制方案，这类实验可在提升学生系统观念的基础上，进一步培养其独立思考、创新研究和知识综合的能力。

基于综合实验平台开展多类型的实验项目，能充分发挥实验平台适应各层次教学的优势，获得更加全面的教学效果。

2.2 强化教师团队，提高教学水平

教师作为实验教学的主导者，对学生实验项目的顺利进行有着重要的引导作用。随着综合实验平台的建立，对实验指导教师提出了更高的要求。例如在开展实验平台模型辨识实验、频域校正实验、复合校正实验时，这些实验项目都涉及到自动控制理论多个关键知识点；在开展大型探究性综合实验往往会涉及到工程实践问题，这都要求实验指导教师必须具有丰富的工程经验及实践教学能力。因此，有必要大力强化教师团队，要求理论授课教师参与实验教学工作，与具有工程经验的实验指导教师一同编制实验任务，将抽象的理论知识与实践环节相结合，充分发挥实验平台的资源优势。

此外，可以选拔优秀的研究生参加实验室教学指导工作。研究生经过专业知识学习，加上参与科研项目的经验，能较快掌握实验平台的使用，作为教师团队的辅助力量参与到实验教学工作中来。为此可将班级按固定人数进行分组，每个小组配置一名研究生参与指导，从实验操作及理论讲解方面对学生进行更加深入有针对性地指导。

2.3 改革考核方式，改善教学效果

作为学生实验成绩评定的标准，考核方式对于实验教学具有导向作用。制定合理有效的考核方式，对于学生的实验积极性具有促进作用。传统实验课程的考核往往以课堂实验成果及课后实验报告质量作为评判标准。由于实验内容的一致性，实验过程中往往出现抄袭现象，课后提交的实验报告也存在雷同现象，导致考核结果难以反映学生的真实水平，这导致降低了实验过程中学生的积极性与主动性，造成了综合实验平台资源的低效利用，难以达到预期的实验效果。实验考核方式的改革，要求充分发挥考核的目标导向性，在监督实验过程的同时，提倡个性化发展，激励探索精神，具体可以从以下两点入手。

(1)建立以基础实验与综合实验相结合的新型考核方式。综合实验平台的建设，为基础型实验与综合型实验的开展提供了理想的硬件平台。对于这两种实验类型，分别采用不同的考核方法。基础实验部分的考核以减分方式进行评价，根据“自动控制原理”实验课程要求掌握的知识点设置评分点，重在考核学生掌握基础理论与实验技能的情况。综合实验部分的考核以加分方式进行评价，对学生设计的实验难度与完成状况进行评分。这两部分在实验成绩中各占一定比重，与实验报告一起，共同决定学生最终的实验成绩。这种方式兼顾了考核学生基础理论的掌握情况和综合实验的设计能力，从而更加客观地评价学生在实验项目中的表现。

(2)建立一对一与一对多的复合型考核方式。一对一考核由一位教师与一位学生面对面进行，考核过程中，学生不仅需要进行实验成果展示，同时需要结合理论分析实验现象，例如在位置阶跃信号实验中，学生不仅需要给出优化的控制参数与实验结果，还需要在与指导教师一对一的实验考核中分析各控制参数对输出响应的影响。教师不单以实验结果为唯一评判标准，还应根据学生的实际理解程度进行打分。一对多考核以分组的方式进行，学生以综合实验的分组为单位，统一参加考核，主要展示综合实验中各成员的分工与合作情况，指导教师根据各成员自身的工作量及对小组贡献度，有区分地为各成员进行单独打分。这一考核方式能使教师深入了解学生的实验情况，分组考核方式可以避免小组成员互相抄袭的现象，两种方式相结合，可更好地调动学生参与实验项目的积极性。

3 结语

“自动控制原理”实验教学质量的好坏，取决于诸多因素，实验设计与教学改革起着至关重要的作用。综合实验平台所集成的多样化实验项目为学生探究学习和个性发展提供了良好的实验环境，通过本实验显著地提高了学生的动手能力，增强了学生对控制理论的理解，使实验教学真正成为全面提升学生综合素质和培养应用型创新人才的重要手段。

[1] 王建辉,徐林. 自动控制原理实验教学的改革[J]. 上海: 实验室研究与探索, 2005,24( S1):192-194.

[2] 刘云龙,王瑞兰. 基于Matlab仿真的自动控制原理实验教学改革[J]. 上海: 实验室研究与探索, 2015,6:102-106.

[3] 齐晓慧,董海瑞. 基于“三层次”的自动控制原理实验教学研究[J]. 南京: 电气电子教学学报, 2006,3:80-84.

[4] 孙大卫,丁兴俊. 一种典型自动控制原理实验教学设备研究[J]. 北京: 实验技术与管理, 2011,7: 79-81.

[5] 孙前来. 随动系统的数字化改造及其应用[J]. 南京: 电气电子教学学报, 2008, 30(6): 58-60．

The Experimental Design and Teaching Reform for the Course of Automatic Control Principle

SHENG Shou-zhao, YE Feng-chao, SUN Chen-wu

(CollegeofAutomationEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

The course of Automatic Control Principle is an important basic specialty course in the subject of control. As a result, the experimental design and teaching reform for the course of Automatic Control Principle should meet a higher requirement to improve the students′ practical abilities and project consciousness. In view of the present situation and problems of the experimental teaching, the measures to improve the experiment teaching quality are investigated in the experimental design and teaching reform, which allows the students to extend and deepen the understanding of the basic principle of the course of Automatic Control Principle.

automatic control principle; experimental design; experimental teaching reform; servo system

2016-03-17;

2016-07- 18

南京航空航天大学本科教学改革项目(1603ZJ)

盛守照(1977-)，男，博士，教授，主要从事自动控制教学与科研工作，E-mail: shengsz@nuaa.edu.cn

G642.0

A

1008-0686(2017)01-0131-04