基于轨道交通硬件平台的“自动控制原理”实验教学改革＊

江桦

（西南交通大学信息科学与技术学院，四川 成都611756）

“自动控制原理”这门课是自动化、网络工程（铁道信号方向）、测控专业等相关专业重要的专业基础课，其最终目的是使学生在实际工程应用中学会对控制系统进行设计及调试。由于该门课程数学基础宽而深，理论知识较难，涉及的相关学科知识较多，导致学生在学习过程中出现理解、掌握知识困难，并且难以应用等问题。因此，理论结合实践的教学方法有助于学生在全面理解并掌握自动控制系统的基本理论的基础上，培养其动手能力及工程实践能力。

1 引言

目前大部分高校“自动控制原理”课程的实验环节课时较少，内容陈旧，模式单一，要么采用单一的电路模拟方法进行系统的性能分析，要么采用Matlab 软件进行仿真，不能将理论和实践有机结合，忽略了对学生的学习主动性和独立解决问题能力的培养，束缚了学生对于新知识的探索，不利于学校培养出当代社会所需要的高素质高能力人才。因此，对传统的“自动控制原理”实践教学改革势在必行。

为与本校特色相结合，践行“交通强国”基调，与专业紧密联系，西南交通大学信息科学与技术学院铁道信息工程系结合3D 打印、电子、无线通信以及智能控制等技术研发具有测速、定位功能的新型模拟机车的控制系统，搭建轨道交通硬件平台，建成了铁道信号仿真实验室。为建设发展新工科，以新工科理念为先导，分析研究新工科内涵、特征、规律和发展趋势等，充分利用现有的城轨实验室平台，通过搭建硬件实物平台，开发“自动控制原理”综合性实验，形成以学生为中心的工程教育模式，提高学生的自主学习热情，进而提升实践教学质量，提高学生理论结合实践的能力，为培养造就大批多样化、创新型卓越工程科技人才打下坚实基础。

2 “理论—实验—应用”的实践教学体系

新工科是以应对变化、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。新工科的建设对高校教师提出了更高要求。在教学过程中，教师应在更新教育理念、转变教学方式、制订人才培养新模式、提高教育教学质量等方面做出积极探索与实践。

为满足当前“新工科”建设背景下的新需求，本文从教学模式、课内实验内容、其他实践教学3 个方面对“自动控制原理”实验教学进行改革，将实践教学贯穿于教学全过程中，着力培养“新工科”背景下具有综合创新能力、科技开发能力的高素质应用型创新人才。

2.1 “理论—实验—应用”的教学模式

“自动控制原理”课程理论性较强，围绕新工科建设路线，对于学生培养方面理论联系实际的要求，由课堂“教师中心型”转向“上下联动型”。线上教学包括MOOC 的视频和在线作业及测试、在线答疑及讨论等；线下教学结合“基于问题学习”的教学法，包括课堂讲解、问题分析及讨论、问题汇报及点评、课堂练习及测试等环节。此外，线下教学时可采用慕课堂等工具设置练习、讨论等教学手段，使学生紧跟老师，全程思维在线。采用“理论—实验—应用”的教学模式，构建实践教学体系，设计动手实践教学环节，达到加深学生对于“自动控制原理”课程基础知识的理解，通过动手实践培养学生对于学习的乐趣，进而将实践教学延伸到科研学术活动，提升教学效果。

部分学生在学习过程中不能理解该课程教学内容间的联系与区别，以自动控制系统常见对象——电机为例采用“理论—实验—应用”的教学模式介绍该方法。电机的数学模型的获得可通过解析法和实验法获得。课堂上，教师从理论上介绍建立电机数学模型的方法，指导学生进行电机数学模型的建立。在实践教学中，教师指导学生就电机的数学模型进行从开环、闭环结构，时域、频域分析系统的性能分析，选择根轨迹法、频率响应法、PID 等进行校正，以改善其性能。最后，将设计的校正装置用于新型模拟机车的测速控制系统，形成完整的“理论—实验—应用”教学体系，可较好地理论联系实际，使学生清楚掌握理论的学习目标，完整、充分地认识控制理论体系。

2.2 开展分层次递进式实验教学内容

对已开设的基于“Matlab 软件”的数字仿真实验和基于电模拟方式的模拟仿真实验内容进行整合和优化，精选必做的验证性和设计性实验，并在已有的城市轨道交通仿真实验平台上，加入基于轨道交通设备、新型模拟机车的测速、定位功能的控制系统的综合性实验，构成多层次递进式实验教学。在掌握相关理论知识的同时，重点突出学生工程能力、实践能力、创新能力和自学能力的培养。

如何理论联系实际是“自动控制原理”课程的一大难点。例如学习系统频率特性时，如何让学生从本质上认识频率特性的概念是这部分内容的基础，在掌握频率特性概念后，如何分析系统的频率特性是该部分的一个重点。在完成理论课后，可先完成“基于Matlab 的线性系统的频域分析”实验，从理论上掌握频率特性的概念，完成Bode 图及Nyquist 曲线的绘制，真正从理论上掌握频率特性的概念及系统频率特性分析方法。此外，频率的特性物理意义及其应用是该部分内容的的难点。可通过完成“线性系统的频率响应分析”实验，掌握对简单的可通过解析法建模的系统采用实验法获得其频率特性，并能通过测量得到的频率特性获得系统的数学模型，以此进一步明确频率特性的物理意义及其应用。最后，理论结合实际，针对轨道交通硬件平台的新型模拟机车利用频率特性测试其数学模型，为系统设计与校正提供坚实基础。采用这种方式，最终实现分层次递进式的实验教学，在帮助学生融汇贯通相关知识点的同时，进一步强化学生的工程能力、实践能力等。

2.3 开放性实验及课外实践教学

在学生积累了相应的知识或需进一步深入学习智能控制等相关知识并实践时，教师可指导性地提出问题，例如基于各种智能控制算法的模拟车速度控制系统设计、模拟车定点停车系统设计、铁道沙盘车站温度监控系统设计等。搭建的硬件平台由西南交通大学信息科学与技术学院铁道信息工程系的教师们自主设计，可将底层的资料开放给学生，让学生从本质上了解硬件到底是什么，引导学生利用轨道交通的硬件平台进行开放性实验、SRTP、毕业设计、各类竞赛及科学研究等，进一步提高学生的实践动手能力、科研能力。

2.4 考核模式

基础性实验主要是针对理论教学的重要知识点开设，要求学生掌握对应概念及分析、设计方法，因此以验证性实验为主。主要考核学生能否根据给定的对象传递函数、性能指标要求，设计出校正装置，并仿真进行验证，最后根据系统性能指标及完成效果进行评分。

对于基于城市轨道交通设备等的应用性实验，要求查阅相关资料，完成系统分析、控制器设计、参数制定的设计，根据完成度给出分数。要求学生学会工程需求分析，并选择设计合理的控制方案，将分析和仿真结果以报告形式提交。

通过以上方法引导学生在理论学习的同时，通过综合性实验提高自身综合素质。

3 结论

建设发展新工科，以新工科理念为先导，分析研究新工科内涵、特征、规律和发展趋势等，充分利用现有的城轨实验室平台，研究如何通过搭建硬件实物平台，开发“自动控制原理”综合性实验，形成以学生为中心的工程教育模式，提高学生的自主学习热情，进而提升实践教学质量，提高学生理论结合实践的能力，为培养造就大批多样化、创新型卓越工程科技人才打下坚实基础。

“理论—实验—应用”的教学模式和分层次递进式实验教学继承了“自动控制原理”课程的原有教学模式，进一步深入践行了以应用为目的的教学思想。和应用相结合、基于项目开发的综合性实验等可摆脱“自动控制原理”课程理论和实际应用脱离的缺点。受益专业较广，包括铁道信号、城轨控制、交通运输、测控、自动化等相关专业。同时基于轨道交通硬件平台的“自动控制原理”实验教学改革正是适应新工科的要求，实现自动控制理论与轨道交通的交叉与融合，引入更多实践的内容，加深学生对课程的掌握程度，为学生今后的学习打下坚实的基础。