“新工科”培养模式下自动化专业综合实验构建

张 倩，李 明，王 军，李海港

（中国矿业大学 信息与控制工程学院，江苏 徐州 221116）

“新工科”的内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才，具有战略型、创新性、系统化、开放式的特征[1-2]。为了满足高校人才培养方面的迫切要求，要求学生具有系统的工程实践学习经验，具备设计和实施工程实践的能力，并能对结果进行分析[3]。通过实验可以加深对理论知识和基本概念的直观理解，提高动手能力，激发创新思维[4-5]。实验教学的新理念、新模式，有利于自动化专业创新型人才培养。目前自动化专业实验还存在一些问题：其一，实验课程多数是由相应的理论课教师指导完成，各个课程之间缺少沟通，尤其是课程内容方面[6]；其二，实验对象、内容单一，教学内容与实际应用联系不紧密，实验课结束后，绝大部分学生对于如何设计控制器、控制系统是如何工作的、如何改变系统的特性等常见工程性问题仍旧一无所知[7]。

为了培养学生理论联系实际的综合能力，使学生在校期间能够受到良好的工程实践锻炼，具有一定分析、研究、解决问题能力和实际设计、操作能力，必须改革实验教学手段，增设应用性非常强的设计型教学环节，不断补充和完善教学内容[8]。结合新自动化专业的设立，在原有课程实验课的基础上新增独立设课的实验课程“控制系统综合设计与实验”。

1 “控制系统综合设计与实验”教学模式构建

“控制系统综合设计与实验”作为一门独立设课的实验课程开设于第5 学期，16 学时，紧随“自动控制原理”和“计算机控制技术”这2 门专业主干课程之后，开设的目的是将“自动控制原理”“微机原理与应用”“计算机控制技术”“电力电子技术”等前期学习的课程知识融会贯通，并借助具体的实验对象，构建控制系统的整体概念。

针对这种融合多门课程知识点并有相当的工程应用背景的实验课程，如何通过对理论知识的学习，培养学生对控制系统的分析设计能力、工程实践能力和创新能力，是教师讲授和学生学习过程中所面对的主要问题[9]。本文以“控制系统综合设计与实验”课程为对象，就如何加强实验课程建设、构建综合实验环境及在开放性实验中开展适应“新工科”发展需求的人才培养问题进行探索与研究，对课程的教学内容、教学方案及教学模式等方面进行改革。

2 分层次的培养模式

以“发展个性、因材施教”为基本原则，以“分层培养、启发创新”为基本教学思路，以培养学生的创新能力、提高学生的实践能力为核心，从人才培养的目标出发，创建多元化的培养模式，提高教学质量，促进优秀生脱颖而出[10-11]。建立不同层次的实验项目，加强项目开发，提高学生的实践能力。

以倡导学生自主性学习为目的，精选实验内容，增加设计性和综合性实验，将实验划分成命题式必做实验和提高性选做实验，给学生发展个性、开拓思维留有一定的空间。实验项目要包括基础实验、综合实验和创新实验，以学生为主体，充分发挥学生的主观能动性，教师在项目中做好辅助和指导，设计大致的技术路线或者目标，由学生自己了解背景知识，并自行设计实验的具体方案，然后进行操作。学生形成具体的实验目标后，由学生和教师共同讨论，使用新的方案进行实验。在实验中，发挥学生的创造性，扩展思维活动空间，提高学生的学习兴趣。

以加深学生对自动控制系统和计算机控制系统概念与工作原理的理解，以及对各种控制效果有更直观的认识来设计实验内容。让学生以直流伺服电机和加热铜块作为被控对象，自主选择一种控制量，在实验室现有的实验设备NG-PTCS-01 的基础上搭建系统的硬件平台，自主选择控制方式（PID 控制、最小拍控制、Smith 预估控制、单神经元控制、模糊PID 控制等），研究其在不同控制方式下被控量或某种规律的变化情况，并结合所学理论知识对结果或现象进行详细的分析讨论，撰写实验报告。针对学有余力的学生或者对此课程实验感兴趣的学生，增设选做性实验项目，让学生以组为单位自主设计实验内容、讨论实验方案、论证实验可行性并进行实验操作。以启发式教学为主，辅以讨论式教学，启迪学生的创造性思维。具体实验内容及要求见表1。

表1 实验内容及要求

3 控制系统软硬件实验平台

控制系统已被广泛应用于人类社会的各个领域，在工业方面，对于冶金、化工、机械制造等生产过程中遇到的各种物理量，包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等，都有相应的控制系统[12]。实验设备需要大量资金的投入，而且实验体系的建立和维护也需要大量的人力成本投入。由于目前没有能力去购买大型的控制系统实验装备，所以我校实验室现有的实验设备不能体现控制系统的广泛性。

本实验系统选择直流伺服电机和加热铜块作为被控对象，以STC12C5 系列单片机为核心模块，外围由通信模块、驱动模块、直流电机、加热铜块、测量模块以及上位机应用软件等组成，如图1 所示。

图1 整体系统结构图

被控对象由直流电机调速系统与加热铜块温度控制系统组成，驱动模块采用L298N 桥式全控整流芯片恒流大功率模块，实现对直流电机、加热片的驱动。直流电机调速系统包括驱动模块、直流电机、光电编码器、负载装置。直流电机为385PH16140 直流电机，额定电压为12 VDC，额定功率为24 W，速度传感器为光电编码器，利用采集到的脉冲数计算实际的转速。加热铜块温度控制系统包括驱动模块、加热铜块、数字式温度传感器和微型风扇。加热铜块采用自主设计的快速导热铜块（铜块+加热垫片），独特的结构设计使其可以快速升温。被控对象实物如图2 所示。

图2 被控对象实物

上位机应用软件是基于Visual Studio 2012 平台，利用Measurement Studio 工具箱开发的，分为主界面、速度控制系统、温度控制系统3 个界面，主要功能包括实验选择、通信设定、设定值输入、转速/温度显示、数据保存等。上位机界面如图3 所示。

图3 上位机界面

利用采集的数据借助Matlab 软件进行模型辨识，利用模型辨识实验中得到的对象模型参数设计控制器，进行控制器设计仿真实验，然后得到较为理想的仿真曲线，极大地方便实验人员的开发与操作。

4 控制系统综合设计与实验的开放教学

由于实验教学的内容、模式以及学时等方面因素的影响，实验设备的利用率较低，实验课程的学习效果较差[13]。为此，本文将研究开放式的实验教学模式，设置开放性实验，方便学生完成实验的设计和调试，为实验的顺利进行提供场地、设备、技术服务的保障。实行实验网上选课、预约开放，内容开放做到课内实验必做与选做相结合，同时允许学生自拟实验题目，为学生提供必要的元器件及实验耗材，最大限度地满足学生的实验要求。

首先，学生提交实验的详细设计方案，包括实验目的、理论分析、实验步骤等；其次，教师对方案的可行性予以评估分析，并给出相应的指导意见；最后，方案可行的学生可自主向实验室提出申请，教师统筹安排实验时间，给学生提供充裕自由的时间和良好完善的条件进行实际系统的设计、搭建、验证、分析等。通过对实际生产过程的分析、模拟及其控制方案的确定、实施，训练学生的工程素质，提高其综合利用不同学科知识和独立解决问题的能力。

5 结语

实验教学的最终目标是培养适应经济建设和社会发展的高层次、高素质人才。传统实验课程的教学内容与方法，仅仅是让学生在实验过程中按部就班进行操作，无法发挥学生的主观能动性。为了满足高校人才培养方面的迫切要求，本文根据目前自动化专业方向和学生的实际情况，以进行“新工科”培养模式下创新人才培养为目标，建立具有实际工程价值的综合实验平台，着力把“控制系统综合设计与实验”课程建设得更加优秀，使学生在校期间能够受到良好的工程实践锻炼，具有一定分析、研究、解决问题能力和实际设计、操作能力，以培养出更多高素质的毕业生，为学生走上工作岗位打下坚实的实践基础。