分阶段的自动控制原理实验教学改革探讨

温素芳，王志和，肖志云

（内蒙古工业大学电力学院，内蒙古 呼和浩特 010080）

《自动控制原理》是我院自动化、电气工程及其自动化专业的一门重要的专业基础课程，在整个专业知识体系中占据非常重要的地位，不但为后续《现代控制理论》《计算机控制技术》和《过程控制系统》等本科生专业课程提供理论基础和分析设计方法，也是《智能控制》《线性系统理论》和《自适应控制》等研究生课程的基础。通过本课程的学习，使学生掌握用系统的观点分析问题和解决问题，对于工程实践具有重要的指导作用。

《自动控制原理》课程理论性较强，有一定的深度和学习难度，学生在学习过程中容易感到枯燥乏味，产生厌学情绪，而实验教学是保证课程教学效果的重要部分，是更好地实现理论和实际有机结合的桥梁，是将知识转化为能力的重要环节。搞好实验教学，不仅可以使学生对所学理论知识有更深刻的理解和把握，有效地提高教学质量，同时对培养学生严谨的科学态度，提高思维能力、动手能力、设计水平和创新精神起着重要的作用，更好地满足工程教育专业认证背景下，社会对工程领域人才的要求。因此，实验教学是课程建设的一个重要方面。

1 传统实验课程现状

传统自动控制原理实验采用电子模拟实验箱，即由模拟实验装置加上示波器，在实验箱面板上连接相应的典型环节或系统，通过示波器观察系统的响应曲线及各项指标。当前的实验内容固定，主要是按章节进行验证性实验，实验仪器功能固定，实验只能按照指导书设计好的步骤进行，测数据，观察实验现象，完成实验。虽然这种方式可以在一定程度上提高学生的动手能力，加深对课堂所学内容的理解，但由于实验时间限制，一般要求在实验室2个学时内完成，少部分学生在规定的时间内完成不了，就容易敷衍了事。另外，此实验缺少实际控制对象，学生对控制系统没有直观认识，对出现的问题缺少系统、多角度的分析，因此，在一定程度上限制了学生的主动性和积极性，难以激发他们独立分析问题、解决问题的激情，不利于学生创新能力的培养，对提高实践能力的作用也是有限的，因此对该课程实验进行教学改革是十分必要的。

2 分阶段的实验教学模式

2.1 课前增加演示实验

绪论是《自控控制原理》课程的第一课，主要介绍一些基本的概念、系统的组成和原理以及对控制系统的基本要求等，但常规的讲解结束后，大部分学生对这门课程的主要任务不是很明确，所以我们要从绪论入手，给学生做几个演示性实验，利用演示实验导入教学，培养学生的学习兴趣。

目前我们学院采购的演示实验设备有磁悬浮系统、板球系统、球杆系统、吹摆系统和便携式倒立摆系统，实验设备如图1所示，我们可以用演示实验创设教学情景，有了具体的控制对象，学生对控制系统有一个直观的认识，使学生对课程产生好奇心，促使他们积极地思考，产生一些疑问，并且渴望得到解决。这样主观上就有了想了解该课程的学习内容和在实际中应用的愿望，就能带着强烈的求知欲和浓厚的兴趣来学习这门课程，而且这些演示实验装置可以作为后续的实验项目。

图1 演示实验装置

2.2 课程教学期间模拟实验和仿真实验相结合

可以将自动控制原理模拟实验与MATLAB仿真实验相结合，做到以下几点：

（1）引入仿真实验，丰富预习的形式。以往学生预习实验都是把实验指导书的内容抄一遍，大部分学生不知道实验的最终正确结果和结论，有了仿真软件，可以让学生在做模拟实验之前先做仿真实验，加深对实验内容的理解和掌控，更加有效的预习实验，大大提高实验效率，取得良好的实验效果。

（2）克服了现有设备的缺陷。利用MATLAB软件很容易实现相关参数的改变，学生更加方便、直观地看出参数变化对系统的影响。例如在做校正实验项目时，由于我们实验箱用于扩展的地方有限，很难满足学生设计的不同的校正电路参数，而利用MATLAB软件，学生可以按照自己的设计方法，得到校正前后系统的单位阶跃响应曲线。

（3）扩充模拟实验没有的项目。例如高阶系统的闭环主导极点的性质，根轨迹部分传递函数的零极点对系统根轨迹以及过渡过程的影响等内容无法进行实验，就可以进行仿真实验研究。

（4）部分实验结果可以作为教师的课堂教学内容，在理论教学过程中融入MATLAB仿真教学，这不仅增强了分析过程和分析结果的可视性，让控制理论不再仅仅是书本上枯燥的公式推导和抽象的图表，让抽象的理论变得直观易懂。

2.3 课程结束后集中课程设计

课程设计是一种综合训练，能将课程所学的知识串联到一起，包括数学模型的建立、性能的分析、控制器的设计。但课程设计要将具有工程背景的实物系统作为实验命题，将抽象的没有任何物理含义的传递函数与被控对象的物理概念在学生的头脑中联系起来，控制系统数学模型的参数有了物理意义，评价系统优劣中的稳、快、准有了具体的含义，学生在设计时不是仅仅考虑实验结果能否满足给定的指标要求，而是要考虑能否让控制系统更好地工作，在一定程度上培养了学生的工程意识，进一步培养学生的工程实践能力，否则面对实际控制任务，依然不知该如何应用所学知识解决实际问题。

例如设计一个炉温自动控制系统，控制对象是电厂的加热炉还是家用的水壶，考虑的指标和方法都不一样。针对该控制对象将自动控制理论的知识分模块有步骤地展开研究。在这个过程中，学生会向自己提出一个又一个的问题，并为解决这些问题不断地收集资料、整理资料，主动、自行地安排自己的学习，对许多知识有了更深入的认识和理解，有利于培养学生分析、解决问题的能力，对知识的理解上升到了一个新的高度。

2.4 开放实验

以班组为单位的实验模式不能满足不同个性、不同水平学生的需求，开放实验室是一个很好的办法，为学有余力和感兴趣的同学提供独立的思维空间和足够的操作时间。目前我们实验室可开设的 部分实验项目列表1所示，其中每一个实验能把所学的数电、模电、检测技术等硬件知识，以及自动控制原理、程序设计和编制等软件知识综合运用，将自动控制与其他课程结合，做到对知识的延伸，让学生真正理解所学课程与其他课程的关联性，也能加深学生对本专业的认识，使他们在实验室体验到研究的乐趣，提高了学生主动探索专业知识的能力和科研素养，提高对控制系统的全面分析和综合设计能力。

表1 开放实验项目

3 结语

本文分析了传统实验教学的不足，针对《自动控制原理》课程的特点提出了分阶段的实验模式。通过课前增加演示实验，激发学生学习的兴趣和动力；在理论课教学期间实行电子模拟实验和软件仿真实验相结合，弥补了实验箱实验的不足，还可以直观理解抽象的理论知识；课后组织具有工程背景的课程设计，把所学的各部分知识串联到一起，培养了学生的工程意识；最后，学有余力的学生可以选作一些开放实验，提高学生的综合实践能力。这种从低到高，从接受知识到培养综合能力的分阶段实验新体系，符合学生的认知习惯，学生的思维能力、实践能力得到良好的训练，从整体上培养学生综合应用知识的能力,从而满足工程教育专业认证背景下，社会对工程领域人才的要求。