基于软硬件相结合的自动控制原理综合实验教学改革

摘 要：自动控制原理综合实验是应用型本科院校自动化类专业的核心基础课程。该课程将MATLAB语言仿真分析和NI ELVIS硬件平台应用于实验教学中，形成软硬件相结合的实验教学模式，激发了学生对自控原理课程的兴趣与热情，降低了自动控制原理的复杂性与抽象度；同时，引入过程性和综合性评价考核机制。经过改革，实验教学显著提升了学生的学习兴趣，增强了学生的实践操作能力、工程意识与专业素养。

关键词：自动控制原理 实验教学 MATLAB 软硬件

0 引言

自动控制原理是应用型本科院校自动化、机器人工程等专业的核心基础课程，它在该类专业的知识体系中起着连接基础知识与专业知识的桥梁作用[1]。该课程特色鲜明，理论性强，知识面广泛，内容丰富，具有一定的深度，学生往往难以将理论知识与实际操作紧密联系起来[2-3]。实验教学作为本课程的重要组成部分，是实现理论与实际相结合的关键环节。对于应用型本科院校的自动化类专业教师而言，通过精心设计与实施实验教学策略，我们旨在超越传统界限，不仅加深学生对理论知识的内化程度，更着重于培育他们初步具备分析复杂系统与设计有效控制系统的能力[4-5]。通过实验环节的练习，学生可以更深入地理解课程的核心内容和物理现象的机理，从而激发学习热情，提升学习的主动性和自觉性。

1 软件实验教学改革

在实验教学中引入MATLAB，通过简单的控制命令或Simulink工具进行仿真，能够将抽象概念具体化，使学生直观地观察到实验结果，从而显著提升教学效果。在时域分析中，鉴于系统输入输出信号随时间的动态变化特性，引入MATLAB语言作为教学工具，学生能够灵活运用多种动态显示，将原本抽象的函数转化为直观可视化的图表与曲线；不仅极大地增强了教学内容的直观性，还有效破解了理论学习中普遍存在的抽象化难题，使学生能够更直观地把握信息在时间维度上的演变规律，从而深化对时域分析原理的理解与应用能力。

对于典型的二阶系统，其闭环传递函数形式为：Φ（s）=，在本例中，我们设定自然频率ωn=2，并选取阻尼比 ζ 的五个不同值：0、0.25、0.5、1、2，以观测系统对这些参数变化的响应特性。通过单位阶跃响应的仿真，我们可以获得如图1（a）所示的仿真结果。实验结果显示，在 ζ 设置为0.5的条件下，系统输出了最佳响应。为了深入探索ωn参数对系统性能的具体影响，我们保持ζ恒定在0.5，并选取了ωn的几个关键值（2、4、6、8、10）进行单位阶跃响应的观测，实验结果详见图1（b）。

通过分析仿真数据，在ωn保持不变的前提下，系统的动态行为随着其内部阻尼特性的自然演变（从欠阻尼经临界阻尼至过阻尼）而显著变化。具体而言，随着 ζ 理论上的增大趋势，系统会表现出超调量的减少、上升时间的延长以及响应速度的减缓，同时稳定性得以增强。

当 ζ 固定为0.5时，ωn的增加直接促进了系统性能的提升。具体表现为，系统达到峰值的时间显著缩短，上升时间也随之减少，这直接加速了系统的响应时间。同时，调节时间的缩短进一步证明了系统对输入变化的快速适应能力。综上所述，通过调整ωn的值，我们可以保持 ζ 在最优（0.5）的基础上，进一步优化系统的动态响应特性，实现更快的响应速度和更高的稳定性。

2 硬件实验教学改革

河南工学院斥资逾140万元，成功构建了依托高性能模块化虚拟仪器的自动控制原理实验教学实验室。该实验室的核心在于NI ELVIS硬件平台与LabVIEW软件环境的深度集成，这一组合为自动控制原理课程的实验教学革新奠定了坚实的物质基础。其独特优势在于，NI ELVIS不仅集成了多样化的标准仪器功能，还高度兼容LabVIEW软件，师生可以根据教学需求，灵活开发定制化的实验项目。更重要的是，这种软硬件协同工作的模式，为学生创造了一个极具灵活性和扩展性的实验探索空间。学生不仅能够利用现有资源完成基础实验，还能在LabVIEW平台上发挥创意，设计并实施更为复杂、前沿的实验方案，从而极大地促进了理论知识与实践能力的深度融合，为培养创新型工程技术人才提供了有力支撑。

以典型的二阶系统稳定性分析为例，深入探讨实验课程教学的改革创新，旨在通过实践加深理论知识的理解，并促进学生跨学科思维的发展。

2.1 实验设计

在二阶系统稳定性分析的实验中，首先强调的是实验设计与理论模型的紧密结合。学生需依据实验指导书中提供的二阶系统模拟电路图，深入理解其电路原理与动态特性。此过程鼓励学生探索不同的接线方案，只要能够准确再现理论电路的功能即可，这不仅提高了学生的电路分析能力，也让他们在实践中体会到自控原理与数学、物理等基础课程之间的紧密联系，促进了跨学科知识的融合与应用。

2.2 实物连线

实验课程的改革聚焦于实践操作的深度与广度，旨在通过亲手搭建控制系统模拟电路的过程，学生结合电路模拟图进行实物连线，还有助于学生在脑海中建立起更加清晰、直观的电路模型，通过亲手连线，学生能够将抽象的电路图转化为具体的物理实体，这一转化过程极大地促进了理论知识与实践操作的融合。

2.3 软件设置

采样率类型选定为“单次采样”，此设置有助于捕捉系统在特定时刻的瞬态响应，减少数据冗余，提高分析效率。采样率设置为1K，这一数值的选定基于实验需求与系统特性，旨在平衡数据精度与采集速度，确保能够准确反映系统动态变化。设置采样长度为4K，该长度的选择考虑了实验数据的完整性与处理效率，既能满足分析需求，又避免了不必要的资源消耗。在信号源配置方面，将信号幅值设定为1。最后，点亮“信号输出”按钮，启动信号源向系统发送阶跃信号，触发实验过程。图3为实验平台软件设置界面。

2.4 阶跃响应分析

实验教学的创新聚焦于学生自主探究与系统性能深度理解。学生首先通过虚拟仪器实验箱构建控制系统的硬件模型，随后在实验软件中精准配置参数并启动实验，实时观测由NI ELVIS硬件电路板输出的阶跃响应波形。此过程中，若实验结果未能符合预期标准，学生需主动调整电路配置或优化参数设置，并反复迭代实验直至获得满意结果。

图4为NI ELVIS硬件电路板输出的阶跃响应波形，（a）为R=10K响应曲线，（b）为R=49.9K响应曲线。通过波形分析系统的性能，可以直观地感受和理解系统的“稳定性”、“快速性”及“准确性”。学生在掌握基础实验后，可以自由探索，通过调整数据获得不同图像，并从各种曲线分析中深入理解系统性能，同时，图像分析有助于更好地阐释和应用理论知识。

3 实验教学实施成效

长期以来，实验课程的评价体系主要依赖于教师的考勤记录与实验报告的审阅，这种传统模式在验证性实验中尤为显著，其结果单一且易于预测，不料却为部分学生提供了投机取巧的空间。一些“策略性学习者”敏锐地捕捉到这一制度性缺陷，导致了一种现象：课堂出勤率虽居高不下，但部分学生在实验环节中却扮演起了“隐形人”的角色，仅仅走个过场，课后则通过复制粘贴他人的实验成果或报告，轻松获取与那些真正投入实验、独立思考的学生相近的分数。显然，这种考核方式无法全面、公正地衡量每位学生的实验能力与学习态度。

为了破解这一困境，我们实施了实验考核体系的全面革新，旨在构建一个多维度、立体化的评价体系，新体系不仅保留了实验操作与实验报告的核心地位，分别赋予其35%和30%的权重，以直接反映学生的实践技能与总结能力；还创新性地引入了实验预习（20%）作为前置评估环节，强调预习对于提升实验效率与理解深度的重要性。此外，特别增设了附加成绩（15%），这一部分涵盖了实验过程的即时反馈、同学间的合作表现，以及实验后的答辩交流等多元化指标，旨在全面捕捉学生在实验全周期中的学习态度、团队协作与批判性思维能力。

通过这一改革，我们期望能够更加精准地刻画每位学生的实验学习轨迹，避免“一刀切”的评价方式所带来的不公平现象。

图5为历年自动化专业4组学生实验成绩对比分析结果，数据清晰地展示了改革后学生成绩的分布变化，不仅整体成绩水平有所提升，更重要的是，成绩分布更加合理，有效区分了不同学习态度和努力程度的学生，为教学质量的持续改进提供了有力依据。

4 结语

将MATLAB语言和NI ELVIS硬件平台应用于自动控制原理实验教学中，跨越了MATLAB语言、NI ELVIS硬件平台与自动控制原理课程之间的界限，还为学生打开了一扇通往知识深度与广度的新大门。这种软硬件结合的教学模式的变革，激发了学生对自控原理课程的兴趣与热情，使得原本难以捉摸的理论概念变得触手可及。学生不再满足于书本上的知识，而是渴望通过编程和实验去探索更多的未知领域，这种积极的学习态度，无疑将为他们未来的学术研究和职业生涯奠定坚实的基础。

基金项目：河南工学院教育教学改革研究与实践项目“基于软硬件相结合的《自动控制原理综合实验》教学研究与改革”（项目编号：DQXY-2024005），河南工学院教育教学改革研究与实践项目（项目编号：DQXY-2024002）。

参考文献：

[1]郭亚琴.基于软硬件相结合的自动控制原理课程实验教学改革[J].农业工程与装备，2023，50（01）：61-64.

[2]唐求，张小刚，张帆，等.“新工科”背景下“自动控制原理”课程“三结合”实验教学模式改革[J].实验技术与管理，2021，38（03）：197-200+206.

[3]白敬彩，吴君晓，杜志勇.基于递进式教学法的自动控制原理实验教学改革探索[J].教育观察，2021，10（05）：100-102+123.

[4]杨扬，张清勇，周新民，等.基于工程教育专业认证的自动控制原理实验教学改革[J].中国现代教育装备，2021（05）：74-75+78.

[5]张星红，王汝锋，赵志国.基于MATLAB软件和NI ELVIS平台的自动控制原理课程教学研究与改革[J].科技资讯，2020，18（15）：15-16.