自动控制原理课程实验教学改革

2019-01-30李俊红

中国现代教育装备 2019年1期

王娟李俊红

南通大学电气工程学院江苏南通 226019

自动控制原理课程是电气信息类一门核心的专业基础课程[1]，在机械、能源、化工等专业中都有着极其重要的地位。同时，该门课程将其他专业课程联结起来，起到了承前启后的核心作用。

本课程教学难点在于这门课程具有理论性强、概念抽象及分析方法多，与数学联系紧密，理论和实践联系密切及结合难等特点[2]。因此，实验教学可激发学生学习兴趣，并有机地将理论学习和实验实践结合起来。但目前自动控制原理实验教学中普遍采用MatLab仿真验证性实验偏多，笔者在专业认证背景下提出了将ACCT自控实验箱应用于自动控制原理课程实验教学中的策略。经过几年的教学实践证明，可增加学生的工程实践能力和分析问题及解决问题的能力，充分调动教师和学生的积极性，全面提高教学质量[3]。

1 实验教学内容的改革

笔者在分析课程各个重点知识点的基础上，提出了采用ACCT自控实验箱和MatLab仿真软件的实验方法，全面锻炼学生的工程实践能力和分析问题及解决问题的能力，充分调动学生学习的积极性和主动性，全面推进实践教学与理论教学有机结合。笔者在分析知识点特点基础上，提出了上述2种实验方法。

知识点1：控制系统的数学建模。利用ACCT实验控制箱完成典型环节的电路模拟，要求学生根据典型环节传递函数完成电路设计、线路连接等，可锻炼学生思考问题和解决问题的工程实践能力。确保实现毕业达成度中对工程知识、问题分析、研究等的要求。

知识点2：线性系统的时域分析。利用ACCT实验控制箱完成二阶系统、三阶系统电路设计、线路连接等，观察二阶系统参数变化对系统动态性能影响，并从理论角度进行分析推导。观察三阶系统参数变化对系统稳定性能影响，并从理论角度进行分析推导。该实验有机地将理论分析与实验实践紧密结合，确保实现毕业达成度中对工程知识、问题分析、设计开发解决方案、研究、终身学习等要求。

知识点3：线性系统的根轨迹分析。此知识点主要考查参数变化对控制系统稳定性、动态性能的影响。MatLab软件仿真方法加深学生对5个动态性能指标参数、稳定性、稳态误差以及参数变化对系统动态性能和稳态性能的影响的理解。并能根据控制要求自行设计相关参数进行验证，极大地启发了学生的思维，激发了学生学习的兴趣。确保实现毕业达成度中对工程知识、问题分析、研究、使用现代工具、沟通、终身学习等要求。

知识点4：线性系统的频域分析，此知识点涉及的分析方法有幅频特性分析法、对数频率特性分析法、频域稳定判据、稳定裕度和控制系统频域指标计算以及系统设计。此知识点是本课程的重点，也是难点。针对本知识点概念抽象、数学公式推导多、与其他专业课程联系较紧密等特点，实验充分利用现有ACCT实验控制箱，完成运放电路的连接及设计，实现ACCT实验控制箱与计算机软件之间的通讯及运行调试。通过此实验一方面锻炼了学生的动手能力和设计问题能力，另一方面通过实验更进一步加深学生理论学习中频率特性分析法及稳定性判断方法的理解。同时这个实验也融合了系统集成技术、通讯技术、电路、数字技术等多门专业知识，使理论与实践有机结合。确保实现毕业达成度中对工程知识、问题分析、设计、工程与社会、职业规范、沟通、终身学习等要求。

知识点5：线性控制系统的校正方法，这是本课程的一大难点，但在实际应用中有很广泛的研究。该知识点主要掌握四种校正方法特点和设计，为了加深学生理解，实验中利用ACCT实验控制箱件展开初步研究，初步完成串联校正的设计。确保实现毕业达成度中对工程知识、问题分析、设计开发解决方案、研究、终身学习等要求。

知识点6：线性离散控制系统的分析与设计，该知识点需掌握线性离散系统的稳定性分析方法和动态性能分析等。该知识点要求学生把握线性连续系统与线性离散系统分析之间的联系以及区别。通过ACCT型实验控制箱实验，学生完成运放电路设计，借助上位机软件可直观地分析离散系统稳定性能以及动态性能，进一步加深了对理论知识理解并锻炼了学生思考问题以及总结问题的能力。确保实现毕业要求中对工程知识、问题分析、设计开发解决方案、研究、沟通、终身学习等要求。

知识点7：非线性控制系统分析，该知识点要求学生掌握相平面分析方法、描述函数分析法并完成非线性控制系统的设计。在本知识点实验设计中利用现有ACCT实验控制箱，完成模拟电路的设计与连接，用描述函数分析方法和相平面分析方法分析非线性系统的稳定性。通过ACCT型实验控制箱实验，加深了学生对描述函数分析方法和相平面分析方法的认识，也锻炼了学生工程设计实践能力，极大地激发了学生的学习兴趣。确保实现毕业要求中对工程知识、问题分析、研究、使用现代工具、工程与社会、职业规范、沟通、终身学习等要求。

通过对上述知识点的剖析，笔者建立了两种实验方法，即引入MatLab仿真软件和ACCT实验控制箱，创建了学生理论学习和实验紧密结合的新教学方法，确保实现毕业达成度中对工程知识、问题分析、设计开发解决方案、研究、使用现代工具、工程与社会、环境和可持续发展、职业规范、沟通、终身学习等要求。该实验教学方法极大地锻炼了学生思考问题和解决问题的工程实践能力，促进了本课程学习中师生互动、生生互动，取得了较好的教学效果。