“自动控制原理”实验教学改革探索与实践

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  0 引言
  “自动控制原理”是自动化专业的主干基础课,也是自治区级精品课之一。该课程知识面广、内容多、理论性强,控制系统分析、设计过程涉及到各种分析方法的绘图和复杂的计算,内容比较抽象,且难以将理论上所描述的系统与各种实际的自动控制系统联系在一起,极易造成理论与实际脱节,所以教学时必须辅以足够的实验。学生通过实践性的教学环节,可以加深对控制理论课程难点内容和物理现象的机理性理解,极大地激发学习兴趣,提高学习的主动性、自觉性。
  传统的实验教学内容陈旧,教学方法呆板,无法调动学生的主动性和积极性,难以激发他们独立分析问题、解决问题的能力和潜能,抑制了学生学习个性的发展,不利于对学生实践创新能力的培养。
  1 实验教学的改革
  实验教学是“自动控制原理”课程的重要组成部分,它的任务和目标是: 通过实验,使学生进一步了解和掌握自动控制原理的基本概念、控制系统的基本分析和设计方法,提高分析问题和解决问题的能力,为全面提高学生的综合素质和创新能力打下坚实的基础。传统实验教学的内容主要是理论知识的验证,要求学生按照实验讲义上规定的步骤进行,所使用的实验装置也只是实验箱、信号发生器、示波器等。同时由于受元件、仪器设备的制约,实验效果不能满足课程要求。为此,我们对实验教学进行了以下方面的改革:
  1.1 优化实验内容
  从改革和完善实验教学大纲入手,不断优化实验教学内容,对原有的实验内容进行筛选和整合,在验证性实验的基础上,加强设计性、综合性实验。设计性、综合性实验是给定实验目的、要求和实验条件,由学生自行设计实验方案并加以实现。通过实验可以训练学生的综合思维能力,使综合素质得到提高。
  我院在“自动控制原理”的实践性教学环节中,采用单独设课,单独授课,单独考核。“自动控制原理实验”作为必修课设置,课时为 32 学时,8 个题目,共 1学分。实验内容包含:
  (1)验证性实验。典型环节及其阶跃响应实验( 包含比例环节、惯性环节、积分环节、微分环节、比例加微分环节) 、二阶系统阶跃响应实验、控制系统的稳定性分析实验、系统频率特性测量实验;(2)设计性实验。控制系统设计、分析实验( 包含根轨迹法、频率响应法) ;(3)综合性实验。数字 PID 控制实验、状态反馈与状态观测器实验。各类实验所占比例为:验证性实验 50% ; 设计性实验 25% ; 综合性实验 25% 。
  1.2 改革实验手段
  在“省部共建”项目三期建设中,我系对“自动控制原理”实验教学仪器进行了更新,购置了微机和自控实验系统( AEDK-SACT) ,使实验环境和条件得到了改善。该实验系统以 Windows 操作系统为开发平台利用计算机进行数据采集处理、图形显示,使实验手段得到了更新,在实验系统中既保留了电路模拟系统,又增加了虚拟仪器。
  在课程教学中,引进国外电子信息科学经典教材《现代控制工程》和配套材料《Solving ControlEngineering Problems with MATLAB》,将 MATLAB 贯串于课堂教学、课后作业以及实验仿真三个环节。MATLAB 的优点是建模与仿真分析功能强大,除了基本的课程实验仿真外,还可以完成更为复杂的自控系统实验仿真。采用多样化的实验教学手段最终目的就是构造一个新型的实验平台,将硬件与软件结合在一起,彻底改变原来单一的实验模式。新型实验平台的构建不仅改进了实验手段,而且还优化和充实了实验内容。通过该实验平台可以有效地改善教学质量,为自动控制原理的教学、实验提供一个较好的实验环境。
  1.3 完善考核方法
  根据该课程的教学目的、任务和基本要求,我们完善了考核方法。实验课的考核成绩主要包括以下几个方面: ①实验预习( 10 分) : 考查学生是否预习,并按要求写预习报告; ②实验操作( 50 分) : 考查学生独立完成实验的情況; ③实验纪律( 10 分) : 考查学生是否爱护仪器设备,遵守实验纪律,使其养成良好的工作习惯; ④实验报告( 30 分) : 考查学生对数据处理、误差分析及讨论是否合理,是否有创新点。
  2 实验教学改革的实践
  将 MATLAB 和Multisim引进控制理论的教学,在实验中借助此工具对系统进行模型仿真和电路仿真。由改革前单一的验证性实验教学模式发展为: 验证性实验、设计性实验、综合性实验相结合,集模型仿真( MATLAB) 、电路仿真( Multisim) 和系统调试( AEDK-SACT) 为一体的新型实验教学模式。
  2.1 基于 SACT 的实验系统
  在进行实验时,首先要求学生掌握典型环节模拟电路的构成及其动态特性。利用这些基本知识,根据实验中给定的控制系统方块图或传递函数,设计出控制系统的模拟电路图。实验时,要求将实际的控制系统用模拟电路来实现,并且利用基于LabVIEW的信号发生器和虚拟示波器,组成自动控制原理实验系统。在该实验系统上,采用计算机、A/D、D/A 接口卡并配有相应的实验软件,实现信号发生、数据采集、波形记录及显示功能。
  以实验“二阶系统瞬态响应和稳定性”为例。二阶系统模拟电路如图 1 所示。
  经计算得系统闭环传递函数为:其中,K = R2/ R,取R = 4 kΩ、40 kΩ和 70 kΩ,则系统分别为欠阻尼响应、临界阻尼响应和过阻尼响应。在实验箱上按照电路图将连接导线接好,检查无误后打开虚拟示波器界面观测系统输出。
  2.2 基于Multisim的实验系统
  在自动控制原理实验中引入电路仿真设计软件Multisim,既克服实验箱上电路元件不够、测试设备不全等不足,又便于学生根据实验内容组成各种不同方案进行虚拟和测量。Multisim是 Windows 界面下的虚拟电子工作平台,它用软件的方法虚拟电子和电工元器件,虚拟电子与电工仪器和仪表,实现了“软件即元器件”和“软件即仪器”。组成的模拟实验系统与实际控制系统电路完全相同,且其元件特性也与实际模拟元件类似,仿真性能好。利用此软件可以完成自动控制原理中的大部分实验,且接线方式、实验步骤及效果非常接近实际的模拟机实验,甚至因接线错误等引起的故障也与模拟机实验相似。由于该软件使用简单方便、直观、无需编程,非常适合学生进行自动控制原理的虚拟实验。在 Multisim10.0 平台中绘制二阶系统仿真。
  2.3 基于 MATLAB 的实验系统
  我们在 MATLAB 环境下开发了“自动控制原理仿真实验系统”,学生通过采用该系统进行实验,把计算机教学、实验教学有机地结合起来,使整个“自动控制原理”实验教学效果有很大提高。“自动控制原理仿真实验系统”整体结构简洁明了,采用 Windows 程序风格的操作菜单。系统中根据课程的教学和实验要求设置了经典控制理论、现代控制理论两个部分的实验仿真。在经典控制理论中包含: 系统模型转换、线性系统时域分析、频域分析、根轨迹分析、线性系统校正、采样控制系统的分析和非线性系统等仿真实验; 在现代控制理论部分将提供: 基本矩阵计算、系统的响应、状态反馈状态观察器分析、解耦控制器等仿真实验。
  3 结语:实验教学环节是高等学校课程教学体系中的重要组成部分,在培养高素质创新型人才的过程中起着关键性的作用,是当前高校努力提高教学质量,培养创新素质人才过程中十分重要的环节。
  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]翁智,郝整清,周晓蕾.“自动控制原理”实验教学改革与实践[J].电气电子教学学报,2006,28( S1) : 331-333.
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