自动控制原理卓越课程教学探究

摘要：自动控制原理是自动化专业的主干基础课程，针对该课程的特点，分析了传统自动控制原理实验教学的不足。围绕“卓越计划”对培养创新人才的需求，探讨了卓越课程自动控制原理实验的改进措施，从改进实验内容、实验手段和完善考核方法等几方面进行了探索研究。这些改革措施有助于加深学生理解自动控制概念和控制系统的分析设计方法，培养创新能力，增强分析解决实践问题的能力。

关键词：自动控制实验；教学探究；工程实践；创新能力

一、引言

为贯彻落实加快发展具有中国特色的工业及培养创新型人才等战略，2010年6月，教育部制定执行培养卓越工程师计划。我校自动化专业2011年获批进入全国第二批“卓越工程师”计划。面对新的教学目标，必须改进原有的教学模式，为满足社会新的需求，应增强学生的动手能力，培养学生的创新意识和创新能力。相比与课堂教学，实验教学更有利于学生创新意识和能力的培养[1-3]。我校自动化专业的“卓越工程师”培养计划的核心课程是自动控制原理，它是学生后期学习专业课程的基础。该课程要求学生能够结合工程实践，掌握分析设计控制系统的方法，培养学生解决实际问题的能力。故该课程工程实践性较强，课程实验教学显得十分重要。改进实验教学各环节，有助于增强学生的动手和思考能力，对卓越班（执行“卓越工程师”培养计划的本科班级）学生的专业知识与创新实践能力培养具有举足轻重的作用。

二、自动控制实验现状

目前自控实验课程大都是学生在实验箱和示波器等实验器材上依照讲义上的实验步骤完成实验，这样的实验很难满足卓越教学计划的要求。例如学生做控制系统数学模型实验，学生用运算放大器等元器件建立数学模型，实验在模拟机上显示结果，学生做完实验后，依旧对控制系统的数学模型的概念理解不深，更难以将此联系上实践工程中被控对象的数学模型。另外，目前理论验证是自控实验的主要内容，对于实验结果学生预先知道，只要依照实验指导书上的步骤就可完成实验，这样自控内容的实验简单，形式单一，抑制了学生的主观能动性和实验积极性，更难以培养学生的创新能力[4]。故应从自控的实验内容、实验教学手段和实验考核方法等几方面进行改进，构建以提高工程能力和实践创新能力为目标的实验课程模式。

三、改进自控实验内容

自动控制原理的主要内容是从建立系统数学模型开始，然后分别从时域、根轨迹和频域三方面来分析控制系统的性能，最后设计校正控制系统。为此实验内容应由浅入深、循序渐进，分成验证性实验、设计性实验和综合性实验。首先借助实验箱和计算机里的Matlab软件做一些验证控制系统性能的实验，然后结合工程实践背景，给出实验要求、条件和目标，由学生自己确定实验方案，制定实验步骤，完成控制系统设计实验。最后在具有工程背景的典型实验装置上完成分析控制系统、设计工程系统的综合性实验。学生通过完成这些实验，以提高自己的综合思维和自主创新的能力。验证性实验内容包括典型环节的模拟、动态性能、稳定性以及稳态误差等自动控制原理的核心知识点[5]。实验既可以在由运算放大器等元器件组成的实验箱上进行验证，也可以在装有MATLAB软件的计算机上进行仿真验证。这样使学生不仅可以熟悉自控实验里的常规实验设备的性能，还可以在计算机上对控制系统进行仿真。以二阶系统为例，学生可用MATLAB软件对二阶系统在无阻尼、欠阻尼和过阻尼三种条件下编写仿真程序，进行仿真分析，学生能快速地观察到二阶系统的输出响应结果，从而加深了学生对课堂上讲授的理论知识的理解。这种通过实验和仿真分析可以给学生留下很深刻的印象，提高学生的学习兴趣，促进培养学生自主学习和实践创新能力。系统设计性实验可以由教师给出题目和实验需要达到的目的和要求，而实验步骤和方法由学生自主设计，期间可以和教师讨论实验结果以及有疑惑的地方[5]。控制系统设计性实验主要是在学生学习了基本控制原理后，能够在分析控制系统性能的基础上，设计简单的控制器，学会处理具有工程背景的简单的控制系统问题。可让学生借助MATLAB软件设计比例微分控制的二阶系统、微分反馈的二阶控制系统及含有超前滞后的校正控制系统等。在这类设计性实验中，学生自己分析、设计控制系统，最后比较分析各种控制系统的性能，获得正确的结论。学生不仅很快熟悉自动控制基本理论，还提高了自己分析解决一些简单的工程实际问题的能力综合性实验是指实验内容涉及本课程的综合知识或与本课程相关课程知识的实验，是在学生了解和掌握本课程验证性实验和设计性实验的基础上进行的[6]。对卓越工程师的培养更应注重理论和工程实践相结合，故为培养学生的工程素养，卓越班的综合性实验课程应引入工程实例。在数字仿真实验的基础上，进行工程实践训练。水箱液位控制系统、电动机调速系统和倒立摆系统等都是自动控制系统中具有代表性的工程控制实例。如在控制系统综合实验中，可给定学生上述某一实际控制系统，要求学生首先建立被控系统的数学模型，画出控制系统结构框图，运用课堂上所学的理论知识分析控制系统的性能，设计满足要求的控制器，然后在计算机上进行控制系统仿真，设计控制器参数，仿真结果达到期望要求后，最后在实际系统上做实验，能够正确分析实验结果。这种控制系统综合性实验能够调动学生学习自控原理的主动性，并能全面培养学生的工程实践创新能力。

四、实验教学方法的改进

为培养卓越班学生的工程实践能力，必须注重实验预习及加强评价实验全过程。将预习任务具体化，增强学生预习的主观能动性。在学生进入实验室前，教师应检查学生对实验预习的情况，教师验收合格后方可进入实验室。这样加强预习监管，严格要求，提高实验效果。在实验全过程中，实验老师要引导学生自己分析实验中出现的问题，自己找到出现这个问题的根本原因，最后找到解决问题的方法。以培养学生独立分析并解决工程实际问题的能力。这些对于卓越工程师日后的控制系统的工程实践都是受益匪浅的。

五、重视创新能力，改革实验考核机制

为培养具有创新能力的卓越工程师，实验成绩的评定应以学生能独立分析问题和解决问题为准则。对于在实验中能独立分析设计控制系统的学生应给予较高的实验成绩。实验预习成绩、操作成绩和实验报告成绩构成完整的实验总成绩。实验预习成绩应逐个检查学生预习情况后给出评定，它可占实验总成绩的25%。实验操作成绩要重点考查学生的独立分析解决控制系统问题的能力，有创新表现的学生应给高分，这部分成绩可占实验总成绩的40%。实验报告成绩要重点考查学生正确分析处理实验结果的能力，这部分成绩可占实验总成绩的35%。这样评定实验成绩以能尽快提高学生的动手能力、创新能力以及工程实践能力。

六、结束语

本文分析了我校自动控制实验的现状，针对我校目前自动控制实验的不足，探讨了卓越课程自动控制原理实验的改进措施，从改进实验内容、实验手段和完善考核方法等几方面进行了探索研究。这些改革措施有助于加深学生理解自动控制概念和控制系统的分析设计方法，培养创新能力，增强分析解决实践问题的能力，为学生走上工作岗位成为卓越工程师打下坚实的基础。

参考文献：

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

[2]杨欣，苏玉刚，谢昭莉，李斌.工程类专业的自动控制原理实验教学体系探究[J].实验室研究与探索，2011，30（10）：312-314.

[3]王会峰，周熙伟，关丽敏.基于“卓越计划”的低年级学生工程能力培养[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：303-307.

[4]王柯，周延延，吴晓燕，曹健.“自动控制原理”课程实验教学改革与探索[J].中国电力教育，2013，293（34）：140-149.

[5]陈艳菲，李离.自动控制原理课程实验教学体系改革[J].中国现代教育装备，2014，185（1）：70-71.

[6]王素青.应用型本科院校“自动控制原理实验”教学改革的探索与实践[J].实验室科学，2014，17（1）：104-106.

作者：管萍 刘小河 刘丽华 李明大 单位：北京信息科技大学自动化学院