《控制理论综合实验》改革与实践

冉陈键　窦寅丰

摘要：《控制理论综合实验》主要包含《自动控制原理》和《计算机控制技术》两门课程的实验内容，是自动化专业的重要基础实验。文章针对该实验课程在本科教学中的现状，提出了新的改革实验教学措施。教师的工作更侧重于介绍实验设备和提供设计思路，由学生自主选择实验元件、制定实验方案、编程仿真并完成实验。改革实践初步证明，学生的学习兴趣、创新和实践能力都得到了很大提高。

关键词： 控制理论；实验教学；教学改革；自主；创新

1引言

《自动控制原理》和《计算机控制技术》作为大学自动化类专业的核心基础课程，其中的实验教学环节可以直接影响到学生对控制理论知识的掌握程度， 并间接影响后续课程的学习。传统的控制理论综合实验在以下方面具有很大的缺点，如教学环节受实验内容的局限、实验时间上的不连贯性。这些都从空间和时间上极大限制了学生的思维活跃性，不利于学生自身分析解决问题能力的培养。

针对上述该实验教学中存在的种种弊端，以锻炼学生的实践操作能力和创新思维为目标，我们在传统实验教学模式上进行了一系列改进。经过多年的实践表明，新的控制理论综合实验的实验教学方法无论对于培养学生分析问题的能力，还是解决问题的能力都十分有利，且使得学生对已掌握的理论知识有了更深一步的理解，课堂的教学效果取得了长足的进步。

2目前控制理论综合实验教学中的不足

由于课程设置和学时等客观的原因，之前的控制理论综合实验课每周只做一次实验，学生已掌握的实验内容和技能得不到及时复习和巩固，很难全面深入地理解实验，对每次實验中出现的问题也缺少进一步分析，大大限制了学生的创新思维发展和实践能力的锻炼，不利于学生综合实践能力的提高。较长的时间间隔也使学生每次实验都要对实验设备重新熟悉，同时还使一些互为补充的相关实验不能及时得到比较和验证。

3实验教学改革的具体思路

从一周一次实验课改为一周两次实验课，根据学生数量分为4～6组，并在每组预留一些实验位置。这样不但实验衔接紧凑，而且学生还可以根据自身情况重复实验。在此基础上增强控制理论综合实验各个项目之间的承接，变单一验证性实验为综合性实验。其中包括实验电路的设计、系统的参数选择及调试、故障的排除以及用软件对实验进行仿真等内容。

在对学生给出实验成绩时，重视实验全过程。将实验预习、实验效率以及解决问题的能力划入重点考评范围，进一步降低实验结果和实验报告在实验总成绩中的分数占比，提高学生在课上的实验过程以及学生对实验内容理解程度的分数占比及重要性。

为适应实验课程改革的需要，我们自动化教研室重新编写了《控制理论综合实验指导书》。在实验指导书中只给出了实验目的、实验原理、实验步骤以及实验结果记录表格，实验电路的设计和实验原理中的理论公式作为预习内容，由学生根据理论课相关知识在课前完成。上课过程中，实验教师根据学生设计的电路以及实验完成情况进行点评、指导及打分。如有时间，由设计较优秀的学生为大家讲解其设计思路并进行总结。

改革后的实验模式打破了“老师按书讲、学生照书做”的传统实验教学模式，把实验的主动权交给学生，让学生成为课堂的主人，更好地激发了学生的创造性思维。这门操作较为简单、但学生发挥空间较大的《线性系统的校正》实验中，实验指导书仅仅给出系统校正后的性能指标要求，而校正后的传递函数的推导、校正电路的设计、实验步骤以及记录实验结果的表格全部由学生在课前的预习工作中完成。对于在实验中出现的问题也由学生自行分析并解决。预习中出现的问题、实验中出现的问题、如何解决问题以及本实验的重点、难点都由学生在实验报告最后进行总结。这样，我们通过一个简单的基础实验，不但可以对学生的基础知识和实践能力进行锻炼，还能有效地激发学生的创造性思维并提高其设计实验的能力。

4 实验内容

在实验教学改革中，实验教学内容的改革重中之重。为了锻炼学生的实践能力，我们在教学内容中着重强调了对学生的自主创新能力以及实践应用能力的培养。

4.1实验基础技能的训练

控制理论综合实验改革的目的是进一步提高学生的基本实验技能。其中包括：数字万用表的正确使用方法；TD-ACS实验系统相关单元的性能参数测定及故障诊断；典型环节的电路设计及故障诊断；典型系统的电路设计及故障诊断；线性系统的根轨迹分析；线性系统的频率特性分析；信号的采样方法及采样频率的判断；PID控制方法及PID参数的整定方法等。通过这些实验基础技能训练，学生可以进一步加深自动控制原理和计算机控制技术课程中理论知识的印象，并掌握实验系统设计、调试与实验系统故障诊断的一般方法。

4.2实验部分内容举例

《积分分离PID控制方法》与《简易工程法整定PID参数》两个实验属于具有一定关联性的实验，学生在一周之内连续完成，不但实验效率较高，对理论知识的掌握和应用也会进一步加深。

（1） 在《积分分离PID控制方法》实验中给出一个典型的PID闭环控制系统方框图，再根据实验系统及所提供的元器件自行补全实验电路图中缺失的部分。学生可根据实验指导教师的指引，自行设计实验表格，并拟定实验中的PID参数。结合每个参数变化对电路输出信号的影响，从而总结出PID各个参数对系统性能的影响。

（2） 总结出PID控制中各个参数对系统行程的影响规律后，学生才能在此基础上高效地进行实验《简易工程法整定PID参数》。在本实验中，学生依然需要自行补全实验电路图，并应用临界比例度法及扩充相应曲线法来整定PID参数。根据两种实验方法得到的PID参数对系统的控制效果若不理想，则可以通过上节实验总结的规律，适当对PID参数进行调整，直到效果满意为止。

（3） 对实验过程中遇到的问题、实验系统发生的故障、如何判断并解决问题等实验要点认真做好记录，并对实验进行总结。

在以上实验过程中学生须在课前预习工作中完成电路设计工作，且在课上通过测试。通过实验过程中的系统故障诊断与排除、实验数据图表的规范设计等过程，提高学生对实验意义的认识，加强实验技能的运用能力，激发学生的主观能动性和创造性思维，有效地提高了学生对实验的设计能力和在实验中排除、解决问题的能力。

除此之外我们还在实验中渗透了基于Matlab和Labview的仿真教学，学生在预习过程中可以通过软件对实验进行仿真，进而印证自己实验设计部分的正确性，并在实验课上将仿真结果与实验结果进行比较，进而提高实验课的质量和效率，也对两款经典仿真软件进行初步学习。在课堂时间允许的情况下，学生之间也可以将自己实验过程中出现的故障再现，考察其他学生的故障排除能力。通过总结实验经验，以提高实验技能为出发点，从实验的理论研究到实验过程的设计，从实验器材的正确使用到实验系统的故障诊断，从多个方面强化学生独立分析问题和解决问题的能力。

5结论

我们通过对实验教学模式的改革，真正做到了以学生为中心、教师为辅助的课堂翻转模式。对课堂时间的灵活安排，使学生能在课上课下对实验内容进行高效学习，进一步加强学生对已掌握理论知识的理解和运用能力。同时激发学生的创造性思维，提高学习热情，最终全面提高实验综合素质和能力，为塑造新时代工程应用型人才打下坚实的基础。

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编辑∕姜雯