第３４卷第３期 电气电子教学学报 ＪＯｕＲＮＡＬ ０Ｆ ＥＥＥ Ｖｏ１．３４ Ｎｏ．３ ２０１２年６月 Ｊｕｎ．２０１２ “自动控制原理＂实验教学改革 肖理庆，李 巍 （徐州工程学院信电工程学院，江苏徐州２２１１１１） 摘要：为了培养并提高学生科学实验能力、创新能力及实践应用能力，本文对“自动控制原理”实验教学环节进行了研究与改革，提出了实验 箱、自制虚拟实验系统、Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真与Ｍａｔｌａｂ编程相结合的实验方法，同时充实并更新了设计性实验、综合性实验与专业拓展实验。教学实 践验证了改革与研究的有效性。 关键词：自动控制原理；实验教学；虚拟实验；仿真 中图分类号：Ｇ６４２．０ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０６８６（２０１２）０３－００８８－０３ Ｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｔｅａｃｈｉｎｇ Ｃｏｕｒｓｅ ｏｆ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＸＩＡＯ Ｌｉ－ｑｉｎｇ，ＬＩ Ｗｅｉ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｕｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ ２２１１１１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ｔｏ ｃｕｌｔｉｖａｔｅ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｂｉｌｉｔｉｅｓ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｏｆ ｓｔｕｄｅｎｔｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ａｎｄ ｒｅｆｏｒｍｓ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｃｏｕｒｓｅ ｏｆ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｃａｓｅ，ｖｉｒｔｕａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｓｅｌｆ ｍａｄｅ，Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍａｆｌａｂ ｐｒｏｇｒａｍ— ｍｉｎｇ，ｅｎｒｉｃｈｅｓ ａｎｄ ｕｐｄａｔｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｃｏｕｒｓｅ；ｖｉｒｔｕａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ “自动控制原理”是电气工程及其自动化专业一 门专业基础课，在专业课程体系中占有极其重要的地 位 Ｊ。“自动控制原理”主要内容包括：控制系统的 “自动控制原理”实验教学环节进行了研究与改革， 并取得了良好的教学效果。 数学模型、控制系统的时域分析法、根轨迹法、频率 法、控制系统的校正、非线性系统的分析、采样控制系 １实验方法研究 １．１ 自动控制原理实验箱 统的分析与设计等。由于课程涉及的系统分析与设 计方法复杂，因此学生普遍反映该课程比较难学 。 本院作为应用型本科院校，实验教学环节显得 尤为重要。为了帮助学生正确理解课堂教学中所阐 述的“自动控制原理”的重要概念、原理与方法，培 养并提高学生科学实验能力、创新能力以及实践应 用能力，课题小组从实验方法和实验内容两方面对 目前在国内各个高校，“自动控制原理”实验教 学方法不尽相同。有的学校强调工程及物理概念， 通过实例讲解并借助于Ｍａｔｌａｂ仿真，将工程的分 析、设计方法渗入实验教学中 ；也有学校采用“自 动控制原理”实验箱与Ｍａｔｌａｂ和ＥＷＢ仿结合 的方法 ；还有学校在“自动控制原理”实验教学 中，主要以Ｍａｔｌａｂ仿真为主，要求学生掌握Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 收稿日期：２０１２－０５．１４；修回日期：２０１２－０６－０２基金项目：江苏省现代教育技术研究课题（２０１２－Ｒ－２１６７２） 作者简介：肖理庆（１９８１一），男，博士，讲师，主要从事自动控制原理的教学与科研工作，Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｑｘ１９８１＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 李巍（１９７０一），女，实验师，主要从事教学管理工作 第３期 肖理庆，李巍：“自动控制原理”实验教学研究与改革 ８９ 在控制系统建模及仿真中的应用 Ｊ。本课题小组 立足于我校属应用型本科院校这一特点，充分利用 求学生完成剩余部分并观察程序运行结果。本 环节目的是使学生掌握利用Ｍａｔｌａｂ编程对控制系 统进行简单分析与设计的能力。 学院现有资源，提出“自动控制原理”实验箱、自制 虚拟实验系统、Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真与Ｍａｔｌａｂ编程相结合 的实验方法，现以“二阶系统阶跃响应”为例，按在 实际实验教学中先后顺序详细阐述。 我院所使用的“自动控制原理实验箱”包含八 个实验模块、电源模块、ＡＤ／ＤＡ输入输出模块、变容 ２实验内容改革 我院２００８－２００９学年“自动控制原理”教学大纲 中，实验教学总共１６学时，实验项目如表１所示。 表１“自动控制原理”验证型实验项目 箱模块和变阻箱模块等。实验箱采用ＤＡ／ＡＤ卡通 过ＵＳＢ口与计算机连接实现信号源信号的输出以 及系统响应信号的采集，采集后的信号通过计算机 显示屏显示。实验箱支持典型环节及其阶跃响应、 二阶系统阶跃响应、控制系统的稳定性分析、系统频 率特性测量、连续系统串联校正、数字ＰＩＤ控制和系 统根轨迹特性测量实验等。 实验教学中，要求学生准确接线，完成实验指导 书中的实验内容，记录实验数据及实验曲线，并根据 实验结果认真回答实验指导书中的思考题。本环节 主要要求学生进一步了解和掌握“自动控制原理” 的重要概念、原理和方法，学习系统模拟电路的构成 和测试技术，提高应用计算机的能力和水平。 １．２ 自制虚拟实验系统 专业实验室每台计算机均安装了课题小组利用 Ｍａｔｌａｂ图形用户界面设计功能自制的虚拟实验系 统。本系统包含了“自动控制原理实验箱”所有实 验，学生在实验教学中可以利用此虚拟实验系统，灵 活改变实验参数，并根据实验结果验证相关结论。 本环节主要为了克服实验箱单元电路不能灵活组合 的缺点，要求学生把主要精力集中在系统特性的研 究上。 １．３ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真 在Ｍａｔｌａｂ中新建一个ＭＯＤＥＬ，从Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对应 模块库中找出所需的仿真模块，根据计算结果修改 模块参数，正确连接各个模块，点击开始按钮，观察 并记录实验结果，如图１所示。本环节主要要求学 生掌握Ｓｉｍｕｌｉｎｋ在控制系统建模及仿真中的应用。 Ｊ ／．— 鲁 图１ Ｍａｔｈｒｂ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模块系统结构图 １．４ Ｍａｔｌａｂ编程 教师在实验教学中给学生提供部分源程序，要 实验项目 实验 实验 实验 编号 名称 学时 属性 ｓｏ５２０３３０１ 典型环节及其阶跃响应 ２ 验证 ｓｏ５２０３３０２ 二阶系统阶跃响应 ２ 验证 ｓｏ５２０３３０３ 控制系统的稳定性分析 ２ 验证 ｓｏ５２０３３０４ 系统根轨迹特性测量 ２ 验证 ｓｏ５２０３３０５ 系统频率特性测量 ４ 验证 ｓｏ５２０３３０６ 连续系统串联校正 ４ 设计 其中，“典型环节及其阶跃响应”要求学生掌握 一阶系统阶跃响应曲线的求取方法，加强对系统瞬 态响应过程的认识；“二阶系统阶跃响应”要求学生 掌握二阶系统阶跃响应曲线的求取方法，掌握二阶 系统阶跃响应各项性能指标的计算方法；“控制系 统的稳定性分析”要求学生掌握控制系统时域稳定 性分析方法；“系统根轨迹特性测量”要求学生掌握 由根轨迹判断系统稳定性的方法；“系统频率特性 测量”要求学生从频域分析系统稳定性；“连续系统 串联校正”要求学生掌握串联校正的方法。 由表１可知，开设的实验项目主要为验证性实 验，缺乏设计性实验、综合性实验以及专业拓展实 验。为了鼓励学生自主实验，培养并提高学生科学 实验能力、创新能力以及实践应用能力，提高实验教 学效果，我们更新了实验项目，如表２所示。 表２“自动控制原理”提高型实验项目 实验项目 实验 实验 实验 编号 名称 学时 属性 ｓｏ５２０３３０１ 二阶系统阶跃响应 ４ 验证 ｓｏ５２０３３０２ 控制系统的稳定性分析 ４ 自主设计 ｏＳ５２０３３０３ 开闭环直流调速控制系统 ４ 专业拓展 ＳＯ５２Ｏ３３Ｏ４ ＰＩＤ控制器参数整定 ４ 综合 这里，“控制系统的稳定性分析”为学生自主设 计性实验，由教师给定实验目的（判断某控制系统 是否稳定）和实验条件，学生自行设计实验方案（既 可以通过时域、频域分析，也可以通过绘制根轨迹曲 线），选择实验器材，制定操作程序。 （下接第９８页） ９８ 电气电子教学学报 第３４卷 真实验完美结合。 （３）建立了边值问题库，为学生提供了“工程电 磁场”理论应用的机会，开阔优秀学生的思路。 本文提出的教学方法尝试，占用了一定学时，对 参考文献： ［１］ 吕秀丽，牟海维，李贤丽．Ｍａｔｌａｂ在电磁场与电磁波实验教学 中之应用［Ｊ］．上海：实验室研究与探索，２０１０，２９（２）：１１０一 ｌ１２ 部分课程内容教学进度有一定影响，这是将来需要 解决的一个问题。另一个问题是如何增强辅导力度 以提高学生仿真作业质量，避免抄袭现象，使学生真 正掌握Ｍａｔｌａｂ和ＡＮＡＳＹＳ两种软件，为将来的专业 课学习和工程实践奠定基础。最后一个问题是进一 ［２］刘亮元，有限差分法在电磁场理论教学中的应用研究［Ｊ］．天 津：信息系统工程，２０１０，１（２０）：６ｌ ６４ ［３］赵彦珍，应柏青．Ａｎｓｏｆｔ在“电磁场与波”课程教学中的应用 ［Ｊ］．南京：电气电子教学学报，２０１０，３０（２）：９５－９６ ［４］王泽忠，全玉生，卢斌先．工程电磁场第二版［Ｍ］．北京：清华 大学出版社，２０１１，第二版 步完善边值问题题库，增加覆盖面，为后续高电压技 术等课程的学习打下良好的基础。 （上接第８９页肖理庆等文） 学生自主设计性实验可使学生处于主动学习状 统的调试、性能分析和故障排除，并完成开闭环直流 调速系统机械特性的测定。由于本实验连线复杂且 态。学生通过自己设计实验去学习、认识和探索实 验内容，从而使实验教学真正成为学生学习知识的 基本方法和有效途径，同时有利于培养学生科学实 验能力、解决实际问题能力以及创新能力。 “开闭环直流调速控制系统”为课题小组充分 利用学院资源，针对电气工程及其自动化专业学生 开设的专业拓展实验。目前，我院配有ＹＬ－２０９Ｃ型 易出错，为了防止设备损坏，教师需在实验开始前强 调如何正确连线。 ３ 结语 为了培养并提高学生科学实验能力、创新能力 以及实践应用能力，课题小组从实验方法与实验内 电机电子与交直流调速实验装置ｌ５台，要求学生根 据图２所示实验连线图完成实验。 容两方面对“自动控制原理”实验教学环节进行了 改革。在实验方法方面，采用了“自动控制原理”实 验箱、自制虚拟实验系统、Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真与Ｍａｔｌａｂ编 程相结合的实验方法。在实验内容方面，充实并更 新了学生自主设计性实验“控制系统的稳定性分 析”、专业拓展实验“开闭环直流调速控制系统”与 综合性实验“ＰＩＤ控制器参数整定”。教学实践验证 了改革与研究的有效性，提高了学生主动学习“自 动控制原理”的积极性。 参考文献： ［１］沈辉，张湘平，张明．采用思维导图进行“自动控制原理”的研 讨式教学［Ｊ］．南京：电气电子教学学报，２０１２，３４（１）：９３－９５ ［２］鄢圣茂，宋立忠，王洁．问题链式教学法在“自动控制原理”中 的应用［Ｊ］．南京：电气电子教学学报，２０１２，３４（１）：１１０一ｌｌ２ ［３］段纳，高庆争．自动控制原理教学中的问题及对策探讨［Ｊ］．曲 阜：曲阜师范大学学报，２０１１，３７（２）：７－１Ｏ ［４］李玉娜，祁伟．自动控制原理课程实验的几种方法［Ｊ］．北京： 图２实验连线图 中国教育技术装备，２０１０，２７：１０９—１１１ ［５］结硕，韩光胜．Ｍａｔｌａｂ在自动控制原理实验中的应用［Ｊ］．北 京：实验技术与管理，２０１２，２９（２）：９５－９７ 该实验可以使学生理解开闭环直流调速系统的 结构特点与工作原理、掌握开闭环直流调速系
