萬敏+王瑛

摘要：傳統(tǒng)的自動控制原理實(shí)驗(yàn)存在一定的局限，提出加強(qiáng)工程應(yīng)用背景的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革。通過增加演示實(shí)驗(yàn)，重視實(shí)驗(yàn)對象數(shù)學(xué)模型的建立以及開發(fā)使用有工程應(yīng)用背景的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，可以提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，全面提高學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：自動控制原理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；仿真

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）44-0117-03

《自動控制原理》是高校電類、機(jī)械類等專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)理論課，要求學(xué)生掌握自動控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法，為設(shè)計(jì)和調(diào)試自動控制系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。該課程知識覆蓋面廣、內(nèi)容多、更新發(fā)展快、理論性和應(yīng)用性都很強(qiáng)，具有一定深度和復(fù)雜性[1]。自動化也是一門面向被控對象，解決實(shí)際問題的學(xué)科。學(xué)生既要掌握自動控制理論，還要能將所學(xué)到的理論與解決實(shí)際問題相結(jié)合[2]。所以做好控制實(shí)驗(yàn)是學(xué)好這門課程非常重要的一環(huán)，學(xué)生可通過實(shí)驗(yàn)加深對抽象的理論知識的理解，同時(shí)提高學(xué)生的動手實(shí)踐能力。

一、傳統(tǒng)自動控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

傳統(tǒng)的自動控制實(shí)驗(yàn)有存在很大的問題，控制的工程應(yīng)用背景和控制理論的聯(lián)系脫節(jié)比較嚴(yán)重。大部分高校的自動控制原理實(shí)驗(yàn)缺少實(shí)際的控制對象，采用的都是模擬電路的控制實(shí)驗(yàn)箱和MATLAB的仿真，通過對傳遞函數(shù)的模擬電路實(shí)現(xiàn)，或者用MATLAB/SIMULINK仿真，觀察輸出的響應(yīng)曲線、根軌跡圖、波特圖等，偏重于對控制理論的驗(yàn)證和數(shù)學(xué)推導(dǎo)計(jì)算。這樣的實(shí)驗(yàn)方式，雖然在培養(yǎng)學(xué)生動手能力，加深對課堂學(xué)習(xí)內(nèi)容的印象等方面有一定的作用，但也存在局限，那就是學(xué)生接觸不到真實(shí)的控制對象，無法將控制原理和實(shí)際的工程應(yīng)用結(jié)合起來，無法滿足開放性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

由于對控制的現(xiàn)象沒有直觀表達(dá)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)起來覺得偏理論和抽象，圖表曲線與實(shí)際被控對象無法聯(lián)系起來，這樣的實(shí)驗(yàn)并沒有很好地起到培養(yǎng)工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的效果。如何將抽象的沒有任何物理含義的傳遞函數(shù)與被控對象的物理概念在學(xué)生的頭腦中聯(lián)系起來，是自控理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要目的。否則面對實(shí)際控制任務(wù)，依然不知該如何應(yīng)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題。

二、加強(qiáng)工程應(yīng)用背景，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)

目前的自動控制原理理論教學(xué)，也在進(jìn)行著一系列的改革，由原先的課堂只注重?cái)?shù)學(xué)公式的分析推導(dǎo)和定理證明，開始注重加強(qiáng)工程應(yīng)用背景[3]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是為了更好地消化和學(xué)習(xí)理論知識，也要緊隨理論教學(xué)，強(qiáng)化自動控制原理的工程應(yīng)用背景，而不僅僅是模擬電路搭建和MATLAB仿真。

1.增加演示實(shí)驗(yàn)。興趣是學(xué)習(xí)最好的導(dǎo)師，首先要培養(yǎng)學(xué)生對這門實(shí)驗(yàn)課的興趣?？刂评碚摃嫌泻芏啾豢貙ο蟮膶?shí)例，但對學(xué)生來說，被控系統(tǒng)對象比較陌生，比如被控機(jī)床等，且更偏重對控制理論的表述，學(xué)生們一下子無法將各種數(shù)學(xué)表達(dá)式和圖表與實(shí)際控制現(xiàn)象聯(lián)系在一起。可將生活和工業(yè)生產(chǎn)活動中的各種常見的控制現(xiàn)象拍攝成錄像，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，演示給學(xué)生看，告訴學(xué)生，控制的現(xiàn)象在生活生產(chǎn)中的廣泛性和重要性。帶學(xué)生們參觀控制實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備實(shí)物，讓學(xué)生們真切地感受控制的現(xiàn)象，讓控制理論不再僅僅是書本上枯燥的公式推導(dǎo)和抽象的圖表，提高實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的興趣。

2.重視數(shù)學(xué)模型的建立。數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)內(nèi)部各物理量（或變量）之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，建立一個(gè)合理的模型是系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的前提[4]。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，應(yīng)注意選取有實(shí)際工程應(yīng)用背景的數(shù)學(xué)模型。每個(gè)實(shí)驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型參數(shù)都是有實(shí)際物理意義的，但以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，往往忽略了對數(shù)學(xué)模型的建立和理解。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中，只看到了傳遞函數(shù)和階躍響應(yīng)曲線，腦海里卻沒有和實(shí)際的控制對象掛鉤，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的效果只停留在對理論的驗(yàn)證，對函數(shù)的數(shù)學(xué)計(jì)算和模擬電路的搭建層面，而忽略了最本質(zhì)的控制對象。學(xué)生也會覺得實(shí)驗(yàn)和他們的想象有差距，明明說好了控制實(shí)驗(yàn)，結(jié)果卻是模擬電路的搭建或者M(jìn)ATLAB/SIMULINK仿真，導(dǎo)致學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣不高。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，不妨將每次實(shí)驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型后面的實(shí)際被控系統(tǒng)為學(xué)生做講解，讓學(xué)生在頭腦中形成聯(lián)系，超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間這些響應(yīng)曲線上的指標(biāo)也有了實(shí)際的物理含義。教學(xué)時(shí)選取控制工程中的典型范例，突出工程背景，從實(shí)際控制系統(tǒng)中了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征、工作原理和設(shè)計(jì)要求，拓寬學(xué)生的視野，激發(fā)他們的創(chuàng)新欲望[5]。

3.使用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺。面對經(jīng)費(fèi)和場地的缺少，實(shí)物的控制實(shí)驗(yàn)裝置數(shù)量不能滿足數(shù)量眾多的本科學(xué)生。且對于基礎(chǔ)專業(yè)學(xué)習(xí)來說，學(xué)生素質(zhì)參差不齊，實(shí)物系統(tǒng)控制分析略顯復(fù)雜，需要對模型進(jìn)行簡化和線性處理，超出了基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)的要求，需要到課程設(shè)計(jì)實(shí)踐或者專業(yè)性更強(qiáng)的學(xué)習(xí)階段才能實(shí)現(xiàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)從某些方面很好緩解了這個(gè)問題。給學(xué)生一個(gè)可視的實(shí)物仿真控制實(shí)驗(yàn)平臺，對于學(xué)生能直觀了解和觀察控制的現(xiàn)象非常有幫助。虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)將成為一種有效的教學(xué)模式。通過對一些典型的控制對象如水箱、倒立擺、磁懸浮球、電機(jī)等進(jìn)行仿真，將典型的控制對象可視化，從而強(qiáng)化學(xué)生對控制系統(tǒng)概念的理解，提高其分析、設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新理念。

如上頁圖1所示是基于MATLAB GUI的水箱控制系統(tǒng)仿真軟件主界面，在軟件主界面上，“參數(shù)輸入”模塊進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，“系統(tǒng)階次選擇”提供選擇水箱階次，從“一階到三階”。“動態(tài)響應(yīng)”模塊提供了系統(tǒng)響應(yīng)曲線的動態(tài)演示，“參數(shù)輸出”模塊顯示系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)和系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)?！八鋭赢嬔菔尽蹦K會實(shí)時(shí)演示液位變化的控制過程，菜單欄的“繪圖選項(xiàng)”還可以進(jìn)行系統(tǒng)根軌跡以及Bode圖的繪制?！澳：齈ID”控制還可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)模糊PID控制參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以讓學(xué)生運(yùn)用理論學(xué)習(xí)的知識，自行設(shè)計(jì)控制參數(shù)，達(dá)到滿意的控制效果。通過軟件的運(yùn)行，可以觀察水箱控制的仿真全過程。

仿真可以忽略一些實(shí)際問題，簡化了被控系統(tǒng)的模型，建立理想化模型，讓實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和完成也變得相對容易。從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。也方便教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理，教師有更多的時(shí)間研究開發(fā)實(shí)驗(yàn)，維護(hù)實(shí)驗(yàn)室，有效地緩解了目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)資金不足、場地短缺以及實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)教師人員不足的壓力。endprint

具有可視化對象的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺是提高學(xué)生工程實(shí)踐能力的有效途徑，經(jīng)過在實(shí)驗(yàn)平臺的仿真和模擬，再根據(jù)學(xué)生的興趣和能力，能夠引導(dǎo)其對真實(shí)的控制對象設(shè)備進(jìn)行研究和開發(fā)，是開發(fā)自動控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的最終目的。

用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件平臺代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，用軟件模擬實(shí)際硬件的功能，節(jié)約了成本，不受實(shí)驗(yàn)時(shí)間和場地的限制，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。既培養(yǎng)了學(xué)生在計(jì)算機(jī)仿真和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的能力，同時(shí)又不忽略對被控系統(tǒng)的工程背景認(rèn)識，還可以加深學(xué)生對所學(xué)理論知識的理解，提高實(shí)踐動手能力[6]。

4.開放控制實(shí)驗(yàn)室。自控實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室又是非開放性的，要想在有限學(xué)時(shí)里鞏固學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，達(dá)到滿足實(shí)驗(yàn)要求和促進(jìn)課程理論教學(xué)的目的，顯然有些困難。對于學(xué)有余力的同學(xué)，開放控制實(shí)驗(yàn)室也是一個(gè)很好的辦法。配置幾套典型的控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如伺服電機(jī)、水箱等，給有興趣的學(xué)生課余時(shí)間學(xué)習(xí)和研究控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。學(xué)生可以自行查找資料，設(shè)計(jì)控制方法，給學(xué)生提供獨(dú)立的思維空間和足夠的操作時(shí)間，老師再加以輔導(dǎo)，幫助學(xué)生將理論活學(xué)活用，真正地投入工程應(yīng)用實(shí)踐。

三、結(jié)語

結(jié)合工程應(yīng)用背景，不但可以使學(xué)生對理論有更深刻的理解，同時(shí)也會提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。讓學(xué)生明白控制什么，怎么控制，清楚地看到控制的效果，學(xué)習(xí)目的更加明確，動手能力明顯提高。在實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)理論上所講重要概念和其應(yīng)用，逐步培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。對《自動控制原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革有利于提高學(xué)生的思維能力、動手能力和創(chuàng)新能力，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王建輝，徐林，顧樹生.自動控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005，（24）：192-195.

[2]魏衡華.系統(tǒng)與控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與建設(shè)[J].教育與現(xiàn)代化，2003，（3）：9-12.

[3]唐超穎，姜斌.“自動控制原理”課程的探究性教學(xué)實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，（29）：91-93.

[4]胡壽松.自動控制原理[M].第四版.北京：科學(xué)出版社，2003.

[5]丁勇，王從慶.《自動控制原理》課程的教學(xué)改革與實(shí)踐[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)（社科版），2005，（3）：84-86.

[6]劉艷，尤源.《自動控制原理》課虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與實(shí)踐[J].裝備制造技術(shù)，2010，（4）：186-187.

基金項(xiàng)目：2012年度南京航空航天大學(xué)“實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究與開發(fā)”項(xiàng)目

作者簡介：萬敏（1983-），女，江蘇泰興人，工學(xué)碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程。endprint

具有可視化對象的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺是提高學(xué)生工程實(shí)踐能力的有效途徑，經(jīng)過在實(shí)驗(yàn)平臺的仿真和模擬，再根據(jù)學(xué)生的興趣和能力，能夠引導(dǎo)其對真實(shí)的控制對象設(shè)備進(jìn)行研究和開發(fā)，是開發(fā)自動控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的最終目的。

用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件平臺代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，用軟件模擬實(shí)際硬件的功能，節(jié)約了成本，不受實(shí)驗(yàn)時(shí)間和場地的限制，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。既培養(yǎng)了學(xué)生在計(jì)算機(jī)仿真和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的能力，同時(shí)又不忽略對被控系統(tǒng)的工程背景認(rèn)識，還可以加深學(xué)生對所學(xué)理論知識的理解，提高實(shí)踐動手能力[6]。

4.開放控制實(shí)驗(yàn)室。自控實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室又是非開放性的，要想在有限學(xué)時(shí)里鞏固學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，達(dá)到滿足實(shí)驗(yàn)要求和促進(jìn)課程理論教學(xué)的目的，顯然有些困難。對于學(xué)有余力的同學(xué)，開放控制實(shí)驗(yàn)室也是一個(gè)很好的辦法。配置幾套典型的控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如伺服電機(jī)、水箱等，給有興趣的學(xué)生課余時(shí)間學(xué)習(xí)和研究控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。學(xué)生可以自行查找資料，設(shè)計(jì)控制方法，給學(xué)生提供獨(dú)立的思維空間和足夠的操作時(shí)間，老師再加以輔導(dǎo)，幫助學(xué)生將理論活學(xué)活用，真正地投入工程應(yīng)用實(shí)踐。

三、結(jié)語

結(jié)合工程應(yīng)用背景，不但可以使學(xué)生對理論有更深刻的理解，同時(shí)也會提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。讓學(xué)生明白控制什么，怎么控制，清楚地看到控制的效果，學(xué)習(xí)目的更加明確，動手能力明顯提高。在實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)理論上所講重要概念和其應(yīng)用，逐步培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。對《自動控制原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革有利于提高學(xué)生的思維能力、動手能力和創(chuàng)新能力，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

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[2]魏衡華.系統(tǒng)與控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與建設(shè)[J].教育與現(xiàn)代化，2003，（3）：9-12.

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[6]劉艷，尤源.《自動控制原理》課虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與實(shí)踐[J].裝備制造技術(shù)，2010，（4）：186-187.

基金項(xiàng)目：2012年度南京航空航天大學(xué)“實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究與開發(fā)”項(xiàng)目

作者簡介：萬敏（1983-），女，江蘇泰興人，工學(xué)碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程。endprint

具有可視化對象的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺是提高學(xué)生工程實(shí)踐能力的有效途徑，經(jīng)過在實(shí)驗(yàn)平臺的仿真和模擬，再根據(jù)學(xué)生的興趣和能力，能夠引導(dǎo)其對真實(shí)的控制對象設(shè)備進(jìn)行研究和開發(fā)，是開發(fā)自動控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的最終目的。

用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件平臺代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，用軟件模擬實(shí)際硬件的功能，節(jié)約了成本，不受實(shí)驗(yàn)時(shí)間和場地的限制，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。既培養(yǎng)了學(xué)生在計(jì)算機(jī)仿真和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的能力，同時(shí)又不忽略對被控系統(tǒng)的工程背景認(rèn)識，還可以加深學(xué)生對所學(xué)理論知識的理解，提高實(shí)踐動手能力[6]。

4.開放控制實(shí)驗(yàn)室。自控實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室又是非開放性的，要想在有限學(xué)時(shí)里鞏固學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，達(dá)到滿足實(shí)驗(yàn)要求和促進(jìn)課程理論教學(xué)的目的，顯然有些困難。對于學(xué)有余力的同學(xué)，開放控制實(shí)驗(yàn)室也是一個(gè)很好的辦法。配置幾套典型的控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如伺服電機(jī)、水箱等，給有興趣的學(xué)生課余時(shí)間學(xué)習(xí)和研究控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。學(xué)生可以自行查找資料，設(shè)計(jì)控制方法，給學(xué)生提供獨(dú)立的思維空間和足夠的操作時(shí)間，老師再加以輔導(dǎo)，幫助學(xué)生將理論活學(xué)活用，真正地投入工程應(yīng)用實(shí)踐。

三、結(jié)語

結(jié)合工程應(yīng)用背景，不但可以使學(xué)生對理論有更深刻的理解，同時(shí)也會提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。讓學(xué)生明白控制什么，怎么控制，清楚地看到控制的效果，學(xué)習(xí)目的更加明確，動手能力明顯提高。在實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)理論上所講重要概念和其應(yīng)用，逐步培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。對《自動控制原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革有利于提高學(xué)生的思維能力、動手能力和創(chuàng)新能力，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

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[4]胡壽松.自動控制原理[M].第四版.北京：科學(xué)出版社，2003.

[5]丁勇，王從慶.《自動控制原理》課程的教學(xué)改革與實(shí)踐[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)（社科版），2005，（3）：84-86.

[6]劉艷，尤源.《自動控制原理》課虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與實(shí)踐[J].裝備制造技術(shù)，2010，（4）：186-187.

基金項(xiàng)目：2012年度南京航空航天大學(xué)“實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究與開發(fā)”項(xiàng)目

作者簡介：萬敏（1983-），女，江蘇泰興人，工學(xué)碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程。endprint