军队院校自动控制类课程课堂设计方法

刘淑波，张 园，初俊博，高 松

(海军大连舰艇学院装备自动化系，辽宁大连 116018)

自动控制类课程包括:“自动控制原理”、“自动控制元件”、“计算机控制”、“数字控制系统”(包含单片机和PLC)和“智能控制导论”等课程。

课堂设计就是运用系统论的观点和方法，按照教学规律和教学对象的特点，确定实现教学目标的方法和步骤，为优化课堂教学效果而制定实施方案的整个过程［1］。采用得当的课堂设计方法可以提高教学质量，优化教学效果。

现有的自动控制类的课堂设计方法大多是针对某一门课程的，很少是针对某一类课程都可适用的。笔者针对所在教研室担任的自动控制类课程，从整体性教学角度探讨了在自动控制类课程教学过程中运用的课堂设计方法。

1 军事随动系统

根据军校教育的要求，自动控制类课程的被控对象应当尽量选用军事随动系统。笔者选择了火箭深弹发射炮作为各门课程统一的被控对象。

1.1 火箭深弹发射炮随动系统贯穿一门课程

我们以“自动控制元件”这门课程的课堂设计方法为例，在介绍各控制元件之前，先给出火箭深弹发射炮随动系统的原理结构图，如图1所示。学生可以逐步建立并深化系统的观点，明确每种控制元件只是整个随动控制系统的一部分。在讲授各个控制元件，如:自整角机、放大器、伺服电动机和测速发电机等时，明确每个元件在火箭深弹发射炮随动系统中的位置、作用以及每个元件的输入输出信号和传递函数。这样不同的控制元件在同一个火箭深弹发射炮随动系统中让学生不断强化，他们对相关的概念印象会很深刻，同时也为后续自动控制类的其它课程学习打好基础。

图1 火箭深弹发射炮随动系统原理图

1.2 火箭深弹发射炮随动系统贯穿多门课程

让学生运用系统的观点分析问题、解决问题是自动控制类课程的共同培养目标。因此，自动控制类课程课堂设计应该从控制系统的系统性入手，用火箭深弹发射炮随动系统将自动控制类各门课程在学生脑中连接成一个整体，加深学生理解与掌握。

上面我们讨论了火箭深弹发射炮随动系统贯穿于“自动控制元件”课程教学。同样该随动系统还可以贯穿于自动控制类的其他课程教学中。例如，将火箭深弹发射炮随动系统具体的参数引入就可以在“自动控制原理”课程中设计相应的该随动系统的建模、时域、频域分析与校正等内容;在“数字控制系统”课程中，涉及到以火箭深弹发射炮随动系统为主的数字控制系统的组成、分类、发展概况、单片机控制及可编程序控制器(PLC)控制，和该随动控制系统设计的一般步骤等内容;在“计算机控制”课程中，涉及到火箭深弹发射炮随动系统的基本组成及工作原理、数字式PID控制、离散域设计、状态空间设计以及最小拍控制等内容;在“智能控制导论”课程中，涉及到火箭深弹发射炮随动系统的Fuzzy控制设计及神经网络控制内容及实验;在“现代控制理论”课程中，会介绍设计火箭深弹发射炮随动系统能控性、能观性、稳定性及极点配置等相应的内容及实验。

2 仿真教学贯穿全课程

仿真教学可以将概念抽象，难于理解，对学生的抽象思维和逻辑思维要求高的内容变得形象化，仿真教学可以起到任何语言描述和数学推导难以达到的教学效果。

我们把自动控制类的课程分成两组:一组是“数字控制系统”(包含单片机和PLC)，另外一组是“自动控制原理”、“自动控制元件”、“计算机控制”和“智能控制导论”。第一组课程的仿真教学以“单片机”为例介绍，第二组课程的仿真教学以“自动控制原理”为例介绍。

2.1 仿真教学应用在“单片机”课程教学中

Proteus是目前最好的模拟单片机外围器件的工具，它可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU及其外围电路，如 LCD、RAM、ROM、键盘、马达、LED、A/D、D/A ，部分 SPI和 IIC器件等。Proteus与其它单片机仿真软件不同的是其仿真功能强大。它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，还能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的各种工作情况［2］。

1)Proteus完成原理图的设计

用Proteus仿真时，所有的元件都已经做好放在元件库里，设计原理图的时候，只需要把相应的元件选定拖出来连上线即可。这样在课堂教学过程中配合多媒体，可以节约大量的画图时间，而且比手工画的更清晰准确，可以随时根据需要进行改动，克服了传统教学中插入图片不能改动的问题。

2)Proteus方便实践教学

由于 Proteus不仅具备原理图和 PCB设计能力，而且还可以与Keil C整合构建完整的实验开发平台，让学生进行丰富的实践。学生首先在仿真软件中自己搭建电路，编写程序，将整个系统在仿真软件环境中实现，并调试通过，然后再利用实验箱去下载程序，观察硬件的运行结果并和软件环境的仿真结果做比较。这样做的好处是:仿真部分可以在自己的电脑上完成，而硬件的运行在实验室完成，这样能够大大缩短实验的时间，提高效率，同时下课后，程序的改进又可以回到寝室在电脑上进行。学生练习的机会多了，可以充分地把课余时间利用起来。此外，还有一个直接的好处就是学生做实验时，已不再是简单的进行验证，而是一个实验的设计者，或者是一个产品或者小系统的设计者。这种流程非常好地培养了学生的工程素养，提高了学生读图和设计图的能力。使用Proteus进行实践教学既激发了学生的学习兴趣，又锻炼了学生的动手能力，避免了传统教学中高分低能现象的出现。

笔者指导的本科生毕业设计“基于MPX4115的数字气压计设计”以及“温控报警系统的设计”，就是用Proteus仿真完成的。

2.2 仿真教学应用在“自动控制原理”课程教学中

Matlab/Simulink具有强大的仿真功能。用户根据自己的需要拖拉相应模块中的元件，构建所需要的控制系统，通过一系列参数设置即可进行仿真［3］。仿真教学应用在“自动控制原理”课程教学中，有如下的表现。

(1)时域响应法这一章的讲授，无论是动态性能指标的求取，还是稳定性的判断，都可以用仿真方法来完成。例如用 Matlab/simulink搭建闭环系统的模型，给以典型激励信号，然后让学生自己通过观察找到所关注的指标。这样比起单纯用公式讲授更形象，更深刻。

(2)频域法校正这一章中，无论是串联超前校正还是串联滞后校正，校正的步骤都比较繁琐，如果应用仿真方法的话，能比较方便地看出校正的效果。例如，文献［4］用 Matlab/simulink搭建校正前后系统框图，从示波器显示的曲线可以清楚地从时域角度看满足性能指标的要求。频域指标的满足可以编制Matlab程序，避免了繁琐的校正过程计算［4］。

(3)此外，仿真教学同样可以应用于第二组其他课程的教学中，例如:非线性系统理论与实验教学，用仿真方法来演示说明非线性系统的特性及分析非线性控制系统稳定性内容，根轨迹的绘制，频域分析等;可以使用Matlab中提供的神经网络、模糊控制和遗传算法工具箱来设计“智能控制导论”这门课程相应内容的设计。

3 依托课程设计和毕业设计

课程设计和毕业设计是对学生所学控制理论的一个总结及应用，是学生综台运用所学的基本理论知识，分析解决实际问题，进行科学研究、工程设计的实践环节［5］。

在课程设计和毕业设计阶段，仍然把自动控制类的课程分成上述两组。第一组借助于实验中心提供的人形、能力风暴和宝贝车机器人综合实验平台，主要进行单片机应用系统扩展方面的题目设置;第二组借助实验中心提供的固高公司生产的直线一级倒立摆和二级倒立摆综合实验平台，主要进行经典控制、现代控制、智能控制和先进控制方面的题目设置。在该阶段授课前把相应的设置题目布置给学生，让学生带着任务去学习，阶段性授课结束后要求学生以大作业的形式把相应题目的体会，理解以及对前沿的了解交上来，可以按照完成的不同程度作为平时考核的依据。这样既培养了学生查阅资料和自学能力，又提高了学生学习的积极性，更重要的是避免了毕业设计学生选题的盲目性。

［1］ 何惠英，付兰芳，付少波.浅谈课堂教学设计在电路教学中的应用［J］.山东，科技信息，2009(23):140-140

［2］ 陈少航，李山，苗亮亮，苏宪龙.基于PROTEUS的单片机应用系统的设计与仿真［J］.陕西，现代电子技术，2008(6):43-44

［3］ 王正林，王胜开，陈国顺等.MATLAB/SIMULINK与控制系统仿真［M］.北京，电子工业出版社，2009:49-250

［4］ 刘淑波，张园，初俊博等.频域法校正实验的仿真实现［C］.大连，军队院校实验室建设与发展学术研讨会，2010:621-623

［5］ 张继勇，陈虹，曹卫.优化课程体系，促进教学改革［J］.北京，中国现代教育装备，2007(2):35-37.