“自动控制原理”实验改革探索与研究

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　　摘要：“自动控制原理”是自动化等电子电气类专业重要的专业基础课程，也是各门专业课程的前续课程。本文分析了目前“自动控制原理”实验教学中存在的问题，结合本校学生和实验现状，在实验内容设置、实验环节安排以及引导学生自主学习方面进行了探索和研究，对目前的实验教学模式进行改革，以实验教学促进“自动控制原理”的理论教学，加强控制理论学习与实践应用之间的联系，为学生走向工作岗位打下基础。
　　关键词：自动控制原理；实验教学；教学改革
　　中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）36-0191-02
　　“自动控制原理”是自动化及电气信息类专业的重要基础课程，也是学生学习“现代控制理论”、“过程控制系统”、“运动控制系统”等后续课程的基础，是工业过程控制与优化设计的重要理论依据。[1]实验教学是“自动控制原理”课程教学的重要组成部分，实验教学不但可以加深对自动控制原理理论知识的理解和巩固，更重要的是可以建立理论和工程实际之间的联系，加强工科学生素质和创新能力的培养。随着计算机技术的迅猛发展和应用，自动控制技术在制造业、交通、航空航天等众多产业部门都起着越来越重要的作用。
　　一、“自控原理”实验现状
　　随着自动控制原理教学实验系统的不断改进发展，本校在教学过程中主要采用了各种自动控制原理实验箱，这些实验箱基本采用模块式结构，可以根据实验教学需要构造出各种型式和阶次的模拟环节以及简单的控制环节，很大程度上解决了自动控制原理实验的基础教学设施问题。这些实验设置主要是为了验证课程中的基础理论和基础知识。对学生而言，采用这种集成式的自控实验箱做实验，只是按照实验指导书的要求及步骤，逐项进行实验和操作，进行线路连接和相关仪器连接、观察现象、读取数据、记录与审查数据，并观察结论是否正确，完成实验内容，但是缺乏针对于实验原理的分析以及对实验过程和实验结果的分析。这种实验教学方式在很大程度上限制了学生的思维，限制了学生学习能动性的发挥，不能很好的将所学的理论知识与实际的控制系统相联系，达不到实验大纲要求的对学生动手能力尤其是分析问题解决问题能力的锻炼和培养，并且实验过程流于形式，失去了实验本身的意义，不利于工科学生工程实践能力的培养。[2]
　　二、实验教学改革的重要性
　　“自动控制原理”课程不但有独立的理论和方法，而且有相当强的实践性和应用性，是自动化类专业的重要专业基础课程。目前一些经典的控制方法仍然广泛应用于工业控制的各个领域。由于“自动控制原理”课程理论比较严谨，含有大量的数学公式推导，内容比较抽象，如果在学习过程中不辅以合适的实验，在学习过程中难以将理论上所描述的系统和实际的自动控制系统联系起来，造成理论与实际工程脱节，导致学生缺乏学习这门课程的主动性和积极性，不但影响了后续专业课程的学习，而且不利于学生工程实践意识的培养。[3]
　　“自动控制原理”实验教学是理论教学的延伸和补充，搞好实验教学是整个自动控制原理教学过程的重要环节，课程的实验内容的设置、授课方式、讲授效果的好坏直接影响着学生的学习效果，以及学生对专业知识的整体掌握。因此需要对“自动控制原理”的实验教学进行探讨和研究，提高学生专业课的学习效果，进一步提高专业素养。
　　为了激发学生学习“自动控制原理”课程的积极性和热情，同时为了提高学生的分析问题的能力以及将控制理论应用于实际工程系统的能力，迫切需要改进自动控制原理课程的实验内容、实验教学方式、教学手段等。同时，在实验改革的实施过程中，教师需要进一步提高实验教学水平，为自动控制原理课程的教学建设的以及其它控制课程的可持续发展打下坚实的基础。
　　三、实验教学改革探索
　　近年来，控制理论得到了蓬勃发展，特别在非线性控制、分布参数控制、鲁棒控制、自适应控制、智能控制等方向上取得了重要进展，但先进的控制理论在实际生产中的应用却受到限制。为了能够处理好理论与实践之间的关系，在“自动控制原理”实验教学过程中需要及时将所学理论知识及时与实验内容以及工程实践相结合，培养学生将理论应用到实际工程领域的能力，同时将新技术新理论及时介绍给学生，保持课程内容的先进性的同时，引导学生开阔眼界，从整体高度把握专业发展方向。在如下方面对“自动控制原理”的实验教学进行了探讨：
　　1.实验进度安排
　　根据实验大纲要求，对实验进度进行合理设计，以提高学生学习兴趣和能动性为目的，进而达到学生动手能力的培养。首先可以设置简单工程实例作为演示实验内容，让学生直观的对理论与实际系统相结合有全面的认识；其次根据学生的学习进度，逐步设置不同级别的实验项目，使学生对基本实验仪器、设备单元的用途和使用方法有足够的了解和掌握后，再要求学生做到能够独立分析和排除实验用仪器、设备单元的常见故障，能够利用现有实验装置和仪器、仪表正确获取、处理实验数据；最后要求学生按照实验项目的要求和指标，自行拟定实验提纲，自行设计组织实验，自行设计实验方案，自行设计实验表格，自行决定需要测取的实验数据，自行决定实验小组人数，自行安排实验进程。在实验过程中充分锻炼学生的实践动手能力，启发学生的思维。
　　在讲解实验教学内容时，应该让学生理解控制系统的设计过程以及实际的控制系统设计时应该注意的问题，并且鼓励学生根据其他专业课程知识以及相应的资料和网络资源自主设计实验内容。
　　2.实验内容设置
　　实验课的目的不仅仅是为了掌握一些仪器设备的操作使用以及一些测定的技术方法，更重要的是通过实验培养学生的思维能力、创新能力、实践能力。以往对实验的重视不足直接导致实验内容陈旧，设计型、综合型实验比例偏少，忽视对实验现象的认真分析等。[4]
　　为了培养学生的动手能力和创新能力，可以将实验内容分为基础性实验、综合性实验和研究性实验。在课程的前期，可以根据实验进度开设基础性实验。基础性实验包括一些基础性的验证和仿真实验，如典型环节的时域、频域分析实验等，主要让学生巩固和验证所学理论知识，熟练掌握实验设备的使用和调试。在课程中期可以开设一些综合性实验。综合性实验可以结合检测技术等专业课程，设置一些基于实际系统的实验， 如水箱控制系统及温湿度检测与控制系统等，要求学生能够正确运用所学的理论知识，在实验过程中熟悉控制系统的设计和调试方法，重点培养学生将理论应用于工程实际的能力。在课程后期可以让学生组成团队，开设有一定难度的创新及研究型实验。可以结合电子技术课程和电机拖动等课程，让学生自己设计一个完整的控制系统，如倒立摆实验、机械臂控制实验等，主要培养学生的创新意识、动手分析问题解决问题以及团队协作能力。 　　3.学生实验引导
　　在实验教学过程中突出学生的主体地位。紧密结合本课程以及实验课程培养目标和计划，设计引导学生们学习实验过程，摆脱老师演示，学生照搬的教学模式。比如“PID控制器的特性”实验，可以鼓励学生通过调节PID参数，观察不同的比例系数、积分、微分时间常数对系统的静态及动态性能的影响，让学生主动学习PID控制器参数的调试方法。在实验过程中以学生为主体，指导学生进行实验预习，实验的每一步都由学生自己完成。适当设计实践过程中经常出现问题的一些环节，鼓励学生尝试解决实验中遇到的问题，如示波器调试、电路检查、程序测试等，培养学生发现问题、解决问题的能力。[5]
　　4.仿真工具应用
　　在实验过程中要充分利用Matlab等一些先进的仿真工具，Matlab是目前国际控制领域最流行的语言，具有强大的数值计算能力以及系统建模仿真等功能。将Matlab仿真应用到“自动控制原理”实验中，学生通过对比实际实验现象（如电路模拟）和Matlab仿真的结果，学习实际工程与理论仿真之间的区别与联系，逐步培养实际动手能力和计算机辅助分析能力。一些综合性和创新性实验可以使学生通过Matlab搭建仿真模型，设计控制系统结构，调节控制参数，来仿真验证控制系统的可行性，培养将控制理论应用到实际控制系统中的能力，进一步培养学生对实际控制系统的整体把握能力和工程意识。
　　5.实验报告改革
　　改进现有的实验报告形式。改变学生花费大量的时间抄写实验指导书撰写实验报告的现状，注重学生对实验设计、实验过程、以及实验结论的分析和理解，留给学生足够的思考和分析问题的时间和空间，对于基础的验证性实验，重点放在对实验原理的理解和对实验结果的分析方面；对于综合性实验，主要培养学生将理论知识应用到实际控制工程的能力，以及专业知识的结合能力，培养学生对专业知识的整体把握能力；对于创新型实验，要注重实验的整体设计思想，细节部分的实现方法，具体的调试步骤，培养学生的团队协作能力，增强对控制理论的认识和应用，进一步拓展专业知识应用范围，为以后的工作打下坚实的基础。
　　四、结论
　　“自动控制原理”是自动化专业以及电子电气类专业的核心课程。目前控制理论已广泛应用于工业生产、居民生活、航空航天等各个方面，还在向更纵深、更广阔的领域发展，无论在数学工具、理论基础、还是在研究方法上都产生了实质性的飞跃，在实际中的应用也越来越广泛和深入。结合目前控制理论和技术的发展现状和前景，在制定“自动控制原理”实验计划和实验内容时一定要注重理论和实践相结合，引导学生将控制理论应用到实际系统中，通过不同类型的实验，培养学生通过专业的学习将“信息、控制和系统”相结合的能力，以及对控制系统的整体把握，为走上工作岗位打下坚实的基础。
　　参考文献：
　　[1]胡寿松.自动控制原理[M].第五版.北京：科学出版社，2007
　　[2]王柯，周延延，等.“自动控制原理”课程实验教学改革与探索[J].中国电力教育，2013，（34）：140-149.
　　[3]胡皓.软硬结合的实验教学模式探讨[J].2011SEHVE： 382-385
　　[4]李发荣等.在实验课教学中加强学生能力培养的探索及思考[J].高等理科教育，2006，（6）：125-127.
　　[5]鄢圣茂，宋立忠.“自动控制原理”实验教学研究与实践[J].中国电力教育，2011，（27）：137-139.
　　[6]张敬南，等.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理，2013，30（12）：101-104.
　　（责任编辑：刘翠枝）
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