“自动化系统综合设计”实践课程教学探讨

鲁兴举,彭学锋,郑志强

(国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙 410073）

“自动化系统综合设计”实践课程教学探讨

鲁兴举,彭学锋,郑志强

(国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙 410073）

作为自动化专业本科生的综合性实践环节,“自动化系统综合设计”课程要求学生完成一个典型控制系统的完整设计过程,包括系统方案设计、数学建模、计算机辅助分析设计仿真、系统物理实现、系统调试、性能测定及结果分析等。教师在实施教学时,应针对自动化专业人才培养目标,进行合理的选题布置,以多个指导教师对多个学生的形式指导学生完成设计全过程。综合设计的难度和实施方法均有别于课程设计或毕业设计,对提高学生综合设计实际控制系统的能力和培养创新意识与工程实践素养具有重要的作用。

自动化专业;实践教学;综合设计

“自动化系统综合设计”实践课程是我校机电工程与自动化学院自动化专业新增的一门本科生实习(实训类)课程,是比课程设计更高层次的综合性系统设计课程。该课要求学生经历一个典型控制系统的完整设计过程,包括系统方案设计、数学建模、计算机辅助仿真分析与综合、系统物理实现、系统调试、性能测定及结果分析等,最后完成综合设计报告。整个设计任务要求学生在两周内完成。

1 实践教学内容设计

我校自动化专业本科生的实践教学层次为:课程实验※课程设计※综合设计(实习/实训)※毕业设计。可以看出,综合设计是课程设计的延伸,是整个实践教学体系中的重要一环。

我们在选题时,向学生提供了大量实际控制系统,如调速控制系统、磁悬浮控制系统、倒立摆控制系统、风摆控制系统、球棒控制系统、XY运动平台控制系统、四轴运动控制系统、冗余并联机器人、双旋翼控制系统、火炮和雷达跟踪伺服控制系统等。这些系统有些是不稳定、非线性和非最小相位的;有些是欠驱动系统和冗余控制系统;有单变量和多变量的系统;有镇定控制和跟踪控制;有运动控制和运动规划。学生将综合运用经典控制、现代控制及计算机控制等理论,对实际系统进行分析与综合[1]。

对综合设计选题,学生不仅可以在指定的范围内自由选择,还可以根据自己的兴趣自拟题目。我们每年所拟定的综合设计内容及要求均不尽相同,有些题目虽然相同,但研究工作要求更加深入。比如倒立摆控制系统,上一学年要求学生对不同形式的倒立摆系统进行建模及仿真,本学年则要求学生设计新的控制算法,进行仿真并在倒立摆实验装置上进行调试和验证,下一学年可要求在倒立摆的控制性能上进行更进一步的深入分析和设计[2]。

2 综合设计教学实施

1)教学实施过程

(1)布置综合设计任务,学生自主组合(每组6人左右),自主选题。选定题目后应明确各成员的任务分工。如:总体设计及协调,文献资料查阅,系统数学建模、分析及仿真,软件编程,硬件设计实现及调试等方面。

(2)各组在阅读相关文献、资料的基础上进行系统方案的初步设计,撰写并提交一份格式不限的方案简单报告,包括研究内容、人员分工、计划进度及初步技术方案。

(3)采用解析法或实验法进行控制对象的数学建模,利用Matlab/Simu link等进行控制系统的分析与综合,完成控制系统的理论设计。

(4)对设计的控制系统进行物理实现,特别是控制器的实现及系统调试实验。

(5)对调试成功的系统进行性能测试和分析,并通过教师验收。

(6)总结综合设计工作,全组共同完成综合设计报告撰写。

(7)最后,教师组织一次综合设计汇报与交流活动,学生对系统设计过程中的经验与教训进行总结,对未能解决的疑难问题进行讨论。

(8)我们要求学生组长对本组成员给出成绩建议和理由,教师结合各组综合设计报告中的成员工作量和成果,对学生成绩进行评定。

2)教学实施流程

在两周的综合设计实验期间,实验室采取全开放的管理模式,学生自由控制来实验室的时间,但总时间不少于10天。具体教学流程安排如下:①综合设计选题;②系统方案论证和设计;③系统数学建模和分析;④系统模型参数测定;⑤控制系统仿真与设计;⑥控制器结构参数确定与物理实现;⑦系统物理实现与调试;⑧系统调试与系统性能测试;⑨实验数据整理与分析;⑩综合设计汇报与交流活动。

以上每个环节约为一天。实施过程中除集中的选题安排和验收交流等工作外,可酌情略作调整。

3)教学组织方式

在综合设计中,学生多人一组可以培养团队协作精神。综合设计小组的成员必须进行分工协作,各自发挥所长,才能更好地完成任务。具体分工内容有总体、分系统,资料、进度、技术,软件、硬件,数学建模、分析、仿真、编程和调试等。

由多个教师组成的导师组成员在选题、方案论证、理论分析、系统设计、实验调试和数据分析等多个环节指导学生,使其得到全面锻炼和提高。

3 结语

“自动化系统综合设计”实践课程只明确实验的目的与要求,由学生自行选定实验题目后设计实验方案并加以实现。综合设计教学内容上具有选题的开放性和任务的系统性,有利于培养学生自主设计和方案实现的能力,激发学生学习的主动性和创新意识。学生设计小组和导师组的教学方式有利于培养学生独立思考与团结协作相结合的能力。学生可以综合运用知识和文献、提出问题和解决复杂问题的能力。由此,学生的综合设计实际系统的能力创新意识明显提高。

[1] 彭学锋,刘建斌,鲁兴举.自动控制原理实践教程[M].北京:中国水利水电出版社,2006

[2] 杨泽斌,孙玉坤,谭伦农.电气工程及其自动化专业实践教学的探索与思考[J].南京:电气电子教学学报,2007,29(1):69-71

Discussion on the Teaching for Automatic Control System Integrated Design Project

LU Xing-ju,PENG Xue-feng,ZHENG Zhi-qiang

(Co llege of E lectromechanica l Eng ineering&Automation,NationalUniversity o f Defence Techno logy,Changsha 410073,China)

As a practical course for undergraduate of autom ation major,the Automatic Control System Design project provides a comp lete process to design a typical control system.Thewhole process includes system scheme contriving,mathem aticalmodel estab lishing,CAD analysis and synthesis,contro ller actualization,system test run,performancemeasure and conclusion drawing.According to the goalofautomation m ajor education,it shou ld be p rovided p roject p rob lem s reasonably,and teaching by the m ode of som e-teachers-to-som e-students.The difficulty and teachingmethods of thedesign projectdistinguish from general course design and graduation design,so the project plays an im portant role in enhancing students'ability o f real contro l system design and training students'innovation thought and engineering accomp lishment.

automation major;practice teaching;integrated project

G647

A

1008-0686(2011)02-0055-02

2010-09-27;

2010-12-23

鲁兴举(1977-),男,博士生,讲师,主要从事精确制导与控制教学与科研工作,E-mail:luxingju@163.com

彭学锋(1964-),男,硕士,副教授,主要从事精确制导与控制教学与科研工作;

郑志强(1965-),男,教授,主要从事精确制导与控制教学与科研工作。