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过程控制系统论文范文第1篇
关键词：控制理论与控制工程 发展与应用
中图分类号：TP13 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）02（a）-0066-01
于20世纪产生的相对论、量子理论及控制理论被人们认为是三项重要的科学革命，人们借助该三项理论实现着客观世界认识上的飞跃。随着控制理论与控制工程相关的理论研究工作的深入开展，其研究对象及应用领域也发生着重大的变化，就我国的教育部所进行的学科的设置及分类中，将控制理论及控制工程设置为控制科学与工程下的二级学科，学科核心便是控制理论，推动着我国控制理论与控制工程在科学研究领域的发展。
1 控制理论与控制工程的产生及发展
控制理论作为对社会发展具有重要影响意义的学科，其产生起源可上溯至十八世纪发生在英国的技术革命中，瓦特在蒸汽机的发明之后，将离心式非锤调速器的相关控制原理应用于蒸汽机转速的控制中，开创出以蒸汽作为原动力的机械化格局，而之后的工程界逐渐的将控制理论应用于调速系统稳定性的研究中，通信技术和信息处理技术的高速发展，使得电气工程师们不断的研究出更为科学全面的控制系统分析方法，实现了控制系统的条件稳定性及开环不稳定性的分析研究，而控制理论的创始人于1948年所发表的控制理论的相关著作，就控制理论的相关方法所进行得阐述，推动反馈概念的应用并为控制理论的形成奠定下坚实的基础。
在科技的不断生产发展中，基于控制理论与控制工程的控制技术也在不断的完善，尤其是在计算机技术的不断推动之下，控制理论与控制工程拥有着更深入的发展。就控制理论与控制工程的整体发展历程而言，可大体上划分为三个主要的阶段，其中第一阶段为20世纪的40至60年代，是古典控制理论的形成及发展时期，主要进行进行单输入及单输出问题的解决，多采用以频率特性、传递函数及根轨迹等作为基础的频域分析法进行系统的研究，而主要进行研究的系统是线性的定长系统，进行非线性系统分析的过程中所选用的相平面法要求变量不能超出两个，该控制理论可实现生产过程中的多种单输入单输出类问题的有效解决。第二个阶段为20世纪60年代到70年代的现代控制理论的形成与发展阶段，该阶段已经步入空间技术时期，控制工程也向性能更高的方向上发展，数字计算机的配合应用，实现了分析设计及实施控制，但时变、多输出多输入及非线性等较为复杂的系统控制内容使古典控制理论呈现出局限性，而最优控制方法在该阶段中提出，使现代控制理论更为完善。第三个阶段是20世纪70年代到目前为止的大系统控制理论及智能控制理论时期，其中大系统控制理论是控制理论就广度上的扩展，利用控制及信息的相关观点进行大系统其结构方案及总体设计，进行的是分解方法及协调处理的相关基础性技术理论的研究；智能控制理论是控制理论就深度上的扩展，进行人类智能化活动、控制信息传递的规律等的研究，并就仿智能化的工程控制系统及信息处理系统等进行研制。
2 控制理论与控制工程的应用
在进入21世纪以来，以计算机技术、通信技术及控制技术为典型代表的IT产业的发展及普及中，核心是计算机技术，关键是通信技术，而基础是控制技术，使得控制学科逐渐的发展成为基础性的科学，控制系统与控制工程中的系统结构、系统稳定、反馈调节及智能系统的相关思想及理论，在自然学科下的多种科学领域获取广泛应用的同时，在人文等学科中也有着广泛的应用体现，基于该现象，某些专家甚至指出控制理论与控制工程已不再是单纯的学科，已逐渐的发展成为较为全面和系统的世界观、方法论。控制理论与控制工程所具有的显著特点是，某些基本的概念同时具有着普适性及独特性。在控制理论与控制工程的应用中，两个概念是应用的关键及核心，首先是系统概念的应用，在当前社会的发展中系统问题已变得非常重要和突出，尤其是全社会范围内所进行的复杂性系统及复杂性科学课题的研究及应用，这是控制理论在现代科学中应用的必然发展，应用控制理论不仅要进行结构及性质的分析，还要进行系统运行状态的调控；其次是反馈概念的应用，这是控制理论区别于其他的学科及控制理论的应用区别于其他的理论应用的关键，反馈使得控制系统在较大的程度上具备人类智能的诸多特点，可以实现控制系统在实际的应用过程中结构、参数及扰动等因素的不确定性给控制系统造成的影响，例如远距离通讯设备、进行隧道扫描的显微镜等具体的工程设备。
在控制理论与控制公工程的应用中，最优控制是现代化的控制理论非常核心的内容，利用最优控制所进行的研究是在满足相应的约束条件时，就最优控制策略进行寻求，进而取得性能指标的极大值或者是极小值，最终使控制系统在性能指标上可取得最优化效果所必须采用的基本条件及综合方法，即就受控的运动过程或动力学系统，从多个可选择的控制方案中寻求最佳的方案，从而使系统在运动状态由初始状态变为指定的目标状态时可以取得性能指标的最优化。在控制理论与控制工程的应用中，较为典型的两个标志性的研究方法便是PDI控制器及Kalman滤波器，这两个方法已经被成功的广泛应用于较多的实际系统中，但所开展的系统的稳定性及最优性都是就线性模型的证明，实际上这两种方法还可应用于一大类非线性系统的证明，相关的研究人员利用基于控制理论与控制系统的反馈机制所进行的定量研究工作就是围绕着这两种标志性方法。在现实生活中控制理论及控制工程最为典型的应用便是水槽内水位的控制及电加热器中的温度控制，该典型应用中的自动控制是利用自动化的高度及温度测试仪等进行预期的测控目标的实现。自动控制系统是为实现控制目标由被控制对象及自动化的仪表所组成的闭环系统，控制系统按照结构形式可分为开环控制系统、闭环控制系统及复合控制系统，三类不同的系统在具体的需求下都有着广泛的应用。
3 结语
控制理论及控制工程随着理论及支撑技术的不断完善，逐渐的由工农业及交通运输等较为传统的产业，向生物、信息、通讯、管理等较为新颖的产业中延伸，也必将在社会的发展中获取更广泛的应用。
参考文献
[1]王成红，宋苏，刘允刚.国家自然科学基金与我国控制理论与控制工程学科的发展[J].中国基础科学，2010（6）.
过程控制系统论文范文第2篇
关键词： 线性系统 实践教学 理论教学 实际操作
1.引言
“线性系统理论”是控制科学与工程专业、机电类专业以及其他研究生专业的一门非常重要的专业课程。在控制系统理论的研究领域中，线性系统是研究的主要对象，而在此基础上形成的线性系统理论是现代控制理论中最基本、最重要也最成熟的一个分支，所涉及的内容包括生产过程控制、信息处理、通信系统、网络系统等多个方面。线性系统理论所涉及的概念、方法、原理和结论对于系统和控制理论的许多学科分支，如最优控制、随机控制、非线性控制、系统辨识、信号处理、故障检测和滤波等都具有十分重要的作用[1]，[2]。作为控制工程与控制科学方向研究生从事科研的一门基础课程，开设“线性系统理论”课程的目的就是培养其运用所学到的专业基础知识，包括控制理论，机电课程，电子技术等，以解决实际问题[3]，[4]。该课程的开设，不仅可以帮助他们开展科研工作，还对他们今后从事本专业工作奠定了很好的基础。
“线性系统理论”课程在国内许多控制学科的研究生专业都有开设，无论在教学内容、教学方法和手段、学生实践等方面都各有所长，有许多值得我们学习，也为我们进行教学提供了参考依据。安徽大学电气工程与自动化学院，现设有控制理论与控制工程，检测技术与自动化转置以及模式识别和智能系统等硕士研究生专业。自开展“线性系统理论”课程以来，一直得到学生们的支持。实际上，很多院校“线性系统理论”教学都会存在或多或少的问题，主要有：1.1忽视了实验教学环节，理论课程远远多于实践课程，导致理论与实践脱节；1.2教学内容相对简单，实验课时非常少，导致学生做科研时，不能学以致用。研究生教育作为我国教育结构中最高层次的教育，肩负着为现代化建设培养高素质、高层次人才的重任。研究生的教育主要包含课程学习和学位论文研究两个重要阶段，其实就是学和做两个层面。所以，我们在对研究生学习能力、创新精神的培养同时，也必须对他们的课程学习阶段予以同等重视。因此，我们在教学过程中，需要结合线性系统理论课程的特点，有意识、有目的、针对性地把系统控制理论中的研究方法贯穿于教学中。
本文拟从理论教学和实践教学两个方面，有针对性地对线性系统理论的教学工作进行课程教改探讨，以增强教学的效果。以期对研究生进行学习、研究问题方法的培养和熏陶。并加强实践教学，提高学生理论和实际操作的能力，更好地为研究生的科研工作服务。
2.理论教学的改革分析
2.1形成完整的理论教学体系。
实际上，“线性系统理论”可以看成本科课程“自动控制原理”、“现代控制理论”和“控制系统仿真”等课程的延伸。那么，怎么样将这些本科课程进行整合，并结合各个具体研究生专业，有机地处理好各课程之间的关系，是亟待解决问题。因此，在进行本课程教学时，需要结合不同专业，加入能反映或联系学科的新思想、新概念和新成果，构建并完善由经典控制理论与线性系统理论基础为主组成的控制理论课程体系，为相应的研究生研究专业和方向服务。同时，要避免与本科课程的重复，增设相关研究方向的内容、完善课程体系，以适应了学科发展需要，更有利于研究生人才的培养。以下分别从课程研究方法和教学方法两个方面进行阐述。
2.1.1课程研究方法分析。
线性系统理论着重于研究线性系统状态的运动规律和改变这种运动规律的可能性和方法，以建立和揭示系统结构、参数、行为和性能间的确定和定量的关系，即研究系统的分析和综合问题。由于线性系统的数学模型主要包括时间域模型和频率域模型，所以综合线性系统的发展过程（主要包括经典线性理论和现代线性理论两个过程），主要的研究方法包括状态空间法、几何理论法、代数理论法和多变量频域法四个方面。
状态空间法是线性系统理论形成最早和影响最广泛的一个分支，分析的对象是系统的状态方程和输出方程，属于时间域方法，主要的数学基础是线性代数和矩阵理论。几何理论法就是将对线性系统的研究转化为状态空间中的几何问题，并采用几何语言对系统进行描述，分析和综合，其数学工具是以几何形式表述的线性代数。代数理论法即采用抽象代数工具表征和研究线性系统，该方法起源于卡尔曼，并在模论方法的影响下，形成了相应的线性系统代数理论。而多变量频域法，其实质是以状态空间为基础，采用频率域的系统描述和计算方法，分析和综合线性时不变系统，主要包括简单的频率域方法和多项式矩阵方法。相比较状态空间法而言，多变量频域法物理直观性强，便于综合和调整。
2.1.2教学方法。
从线性系统理论和研究方法可知，其研究基础以线性代数和微分方程为主要数学工具，并以状态空间法为基础来分析与设计控制系统，内容比较抽象，涉及的研究方法很多。因为，为突出问题的背景和增强说服力，我们在教学过程中增加工程实际系统范例，并通过对实际系统的讲解给出抽象的定义，使得抽象的理论概念与实际系统相结合。这样，可以让学生在学习理论知识的同时，做到理论与实践相结合，适应专业发展需要。我们的课程教学团队在授课过程中，将倒立摆、双容水箱、机械手和电力系统等复杂的控制系统作为例子始终贯串在整个教学过程中，并在各个章节的教学中加以深化。采用机理建模方法建立这些复杂系统的数学模型，并通过线性化分析方法建立系统的状态控制表达式，并根据各个章节的教学内容分析研究，主要包括判别能控性和能观测性；判别系统的稳定性；设计出状态反馈控制器和观测器，进行极点配置分析；设计镇定控制器和二次型优化控制器，进行优化控制等等。通过各个章节循序渐进的学习，以达到理论和实际的结合。不仅有助于将实际系统贯彻到理论学习中，也有助于学生对抽象理论知识的理解和学习，得到了学生的普遍欢迎。
3.实践教学的改革分析
3.1多媒体教学和仿真实验工具结合。
我们的课程教学团队在授课过程中，主要结合多媒体技术、板书推导和教师讲解三个方面进行教学。很多画图和表格可以通过使用多媒体课件来展示，这样既减少板书量，又增加了教师课堂讲解的时间，提高了课堂教学效率。对一些重要的公式推导和理论证明，通过板书书写，可以让学生跟着老师的思路，加强学习。而且，我们可以利用多媒体技术在课堂上借助Matlab/Simulink[5]、VRML、CACSD和CAI等仿真平台，适当地插入有仿真工具编程实现一个实际系统的数学模型的表示、能控性能观性和稳定性分析，以及状态反馈实现极点控制等。其实通过这些仿真工具的课堂教学引入，不仅可以很方便地求解高阶系统的状态转移阵、特征值和特征向量等，还可以借助仿真教学辅助方式，使学生从实际的程序分析和图形描述中更形象地理解和掌握现代控制理论分析系统的方法，从而激发他们的学习兴趣。很多学生表示，通过多媒体技术、板书推导和教师讲解三个方面的教学，并结合实验仿真的动态演示，极大地激发了他们的学习热情和兴趣。
3.2网络资源学习和数据库资源利用。
为了学生更好地消化和吸收课堂内容，我们的课程教学团队拟建立相应的教学网站，学生通过教学网站获取学习资料，包括课程课件，教学教案，习题答案和实验指导等，还可能通过网络工具和教师进行在线交流和讨论。通过这种网上学习和交流，可以进一步巩固学习，加大学习空间。同时，作为研究生，必须会使用数据库资源进行科研学习。对此，我们通过课程论文写作环节的训练，使得学生掌握了利用网络电子资源，如中国知网、万方数据库、Springer、Elsevier、IEEE/IEE和ISI等数据库进行检索文献的方法。虽然加大了本课程学习的难度，但是为攻读学位期间顺利发表核心期刊论文奠定了基础，受到了学生的一致好评。
3.3教学实验和教学实践。
根据课程的安排，我们课程教学团队的教学实验主要包括基础性实验和设计性实验。其中，基础性实验主要是通过Matlab/Simulink等仿真平台的应用，研究线性系统的动力学分析，系统的能控制和能观测性分析、稳定性分析、极点配置和观测器设计等。综合性研究性实验包括直线倒立摆的控制实验。对于设计性实验，让学生自己提出实验方案，并选择合适的控制方法，自己动手设计实验程序，并进行实验结果测试验证，主要包括直线倒立摆的控制，双容水箱的控制和机械手臂的运动轨迹优化设计等。
在加强学生基本工程实践能力培养的同时，鼓励学生走出课堂，到专业实验室、校企共建实验实习基地和校外工厂的自动化生产线参观学习，了解所从事专业的特点，明确科学研究生产实践与所学课程的关系，开阔视野，提高学习兴趣，并增强学习意识。
4.结语
本文针对线性控制理论课程的特点，并结合我们的教学团队，提出了本课程在理论教学和实践教学中的一些改革举措，并通过本校的实际情况进行了分析说明。从目前的情况而言，不少学生反映效果很好。课程教改是一个需要不断完善的过程，永无止境。我们需要在教学过程中，不断地加快教学改革，改进教学方法，提高教学质量，为国家培养更多的优秀的研究生人才。
参考文献：
[1]刘晓云，徐红兵.线性系统理论课程创造性教学初探[J].高等教育研究，1999，15（4）：73-75.
[2]祝晓才，张明，辛华.“线性系统理论”实践教学的改革[J].实验室研究与探索，2011，30（8）：130-134.
[3]齐晓慧，王敬.线性系统理论教学与研究生科学方法论培养[J].科教文汇，2009，2：44.
[4]毛晓波，梁静，黄俊杰.“研究生智能仪器与仪表”课程教改探索[J].电气电子教学学报，2012，34（3）：50-51.
过程控制系统论文范文第3篇
关键词：过程装备控制技术；教学改革；仿真软件
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）28-0095-02
一、存在问题
《过程装备控制技术及应用》是过控专业本科生在大学物理、控制工程基础等课程之后所修的一门专业课，教材选用、张早校主编的部级规划教材（第二版），内容涵盖仪表、电路、自动控制等多方面的知识。在授课过程中，主要发现有如下一些特点和问题：一是本课程涉及到检测、控制装置、简单和复杂过程控制系统、计算机控制系统等内容，内容多且繁杂，学生普遍反映该课程内容抽象、不连贯、不容易掌握。二是在课程安排上，过控专业学生在第三学年学习《过控制过程基础》课程，第四学年学习本课程，本希望通过控制工程的学习为专业课提供帮助，但从目前的反馈信息看，多数学生认为两门课程的知识点联系少，不能有效把理论知识用到专业课的学习中。三是本课程内容涉及面广，知识点多，许多理论知识不直观，内容抽象，学生难以将理论与实际过程相结合，教师在传统教学过程中，课程教学效果不佳。
二、教学探讨
针对这些问题，在教学过程中本人进行了三个方面的尝试和探索。
首先，根据《过程装备控制技术及应用》教材内容和知识点多、容量大的特点，本人结合目前化工和过控专业现状，精心选择授课内容，把相关内容进行调整，按控制类型为主线、目前生产中常用仪器及新的知识点为补充，以授课和讲座形式安排课程内容的讲解，通过精心组织教学内容、达到突出教学重点的目的。
其次，过程装备控制技术及应用是一门实践性极强的专业课，涉及很多经验性内容，学生不易理解，加之专业教师往往强调实践而忽略与前期理论课程的联系，易造成理论课和专业课的脱节。如能在教学中有意识地强化理论知识应用，搭建与实际联系的桥梁，不仅有助于本课程的学习，更能提高学生对新旧课程的学习兴趣。
此外，控制系统有许多概念抽象，且多涉及动态过程的探讨，如教学过程中借用相关自动控制系统仿真技术或相关软件，能直接对系统被控变量的变化过程进行直观显示，验证相关经验知识，将有助学生对实际过程和控制系统的理解和掌握。
三、教学实践
基于上述理念，对《过程装备控制技术及应用》课程部分内容进行了教学实践。如在讲授单回路控制系统时，调节器的调节规律是一个重要知识点，传统教学往往采用PID定义、定性描述调节器参数对控制过程影响、以及工程整定等授课形式，学生不容易掌握。我们在进行教学时（以比例控制P为例），首先对Bode图进行了回顾，给出比例控制器控制规律的定义和传递函数，为：
G■=■=K■ （1）
其频率特性、对数幅频特性和对数相频特性为：
Gc（jω）=KP （2）
Lc（ω）=201gKP；φc（ω）=0； （3）
然后探讨被控对象特性，如两个惯性环节构成的零型系统的传递函数为■，则其幅频和相频特性曲线见图1中未校正曲线线。由该被控对象构成的单回路控制系统经比例控制器校正后，系统频率特性曲线见图中已校正曲线。
可以看出，校正后（Kp>1），系统的性能变化为：
（1）开环增益加大，稳态误差减小，即改善了系统的稳态性能。
（2）幅值穿越频率ωc增大，过渡过程时间ts缩短，即改善了系统的快速性。
（3）稳定裕量减小甚至可能为负值，即系统稳定性变差。
在Bode图分析基础上，提出控制器比例度的概念以及比例度对控制系统过度过程的影响。同时，为了验证Bode图和经验对控制过程影响的分析，还可以利用热工仿真软件或Matlab软件，对上述课程知识点进行软件仿真验证，见图2。通过仿真，学生能直观地看出参数变化对系统的影响，得出控制规律，验证经验结论。
可以看出通过Bode图能清晰阐述PID控制规律对被控对象性能的影响，借助仿真技术可以使学生直观了解控制规律及其参数对控制过程的影响，从而提高授课效果和学习效率。通过上述实践，构建了理论与实践的桥梁，并辅以相应的仿真验证，更有利于学生新旧知识的衔接，提高学生学习热情，调动学习积极性。
参考文献：
过程控制系统论文范文第4篇
关键词：车辆工程；课程改革；自动控制；系统辨识；M序
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）20-0035-03
一、引言
《自动控制原理》是一门既抽象又具有很强实践性的课程，但是实际上在工业界可以看到诸多从事控制的工程师并非出于自动控制科班出身，即使有自动控制原理基础的工程师他们也几乎很少用到经典控制理论。这一方面是因为PID控制毋需系统模型就可以获得较好的控制品质，另一方面是因为《自动控制原理》的教程中只讲到了在获得传递函数的情况下如何综合控制器，而对传递函数的获取且是很少提及（除了较为浅显地谈及到如何在波德图基础上进行系统辨识）[1，2]。许多硕士研究生在给出一个传递函数的情况下可以进行各种控制算法（如模糊、神经、预测等诸多高级控制技术），但一涉及到如何针对真实系统进行控制器设计，他们就会放弃各种算法转而求助于PID，甚至有些还只会开环控制。这迫使控制理论教学需要被经一步创新。
当前控制理论的研究新成果层出不穷，工业先进控制技术，如自适应控制、预测控制、鲁棒控制、智能控制，最优控制得到了飞速的发展，但工业界对控制理论的应用且一直滞后不前。原因可能有以下三点。
1.过去由于受限于模拟电路去实现控制规律，因此控制算法不宜过于复杂，这导致诸多复杂但优秀的控制算法因难以实现而只能成为理论家们的欣赏品。这种固有的观点一直被放大，但如今数字控制技术发展迅猛，一些DSP处理器的单次浮点运算已经快于0.01微妙，许多高级控制算法的实现基本上不存在物理瓶颈。
2.自动控制系统的设计过程通常对设计团队有许多要求，从大的方面它至少包括：传感器和执行器选择、系统建模或辨识、控制器设计仿真、控制器软硬件实现。经典《自动控制原理》课程只包含整个过程的20%不到的知识点和工作量，而且往往整个过程需要一个团队而不是个体，这在很多中小型企业中是难以做到的。如果回顾当前软硬件技术的发展，这些原本需要团队完成的工作完全可以让个人胜任。目前先进的控制软件包（Matlab中的控制工具箱）、硬件平台以及相关代码自动生成技术（如dSPACE，MotorTron，ETAS，XPC-Target），已经越来越多在汽车工业界被广泛使用，但同样这些技术和产品也适合其他工业控制器的研发。
3.控制理论教学的创新需要继续发展，教材内容和工程实践存在一定的差距。
要克服上述三点必须从自动控制的基础教学抓起，在现存的《自动控制原理》教材中引入合理的新章节或新实验使得学生在控制器设计的所有环节得到相关训练，从而能够让他们在以后的工程实践中借助于相关控制器设计方法而获得较好的系统控制品质，而不是凭借“万能的PID”进行包罗万象的控制器设计，或依然停留在开环控制阶段
二、《自动控制原理》中包含的新内容
作为一门专业基础课，《自动控制原理》的学习不仅仅是为了考试或停留在理论的欣赏，而更多是受惠于以后的工程实践。但是目前《自动控制原理》过多强调系统分析和系统综合，对系统辨识和控制器设计过程缺少相关知识点的介绍。为此本文针对一般控制对象，从知识点上对控制器设计过程的教学进行了探讨。由于控制器综合的基础是控制对象模型，因此系统模型的获取是十分重要的，但同时很多时候系统模型是难以通过机理的方式建立，即使建立也会有很多参数待辨识；另一方面，工业过程大多较为复杂，机理难以分析，因此机理建模往往被束之高阁。通过输入―输出信息进行系统辨识是一种相对普适的方法，它毋需过多的机理分析，也不需要深厚建模功底，而且又能描述大多数系统过程。实际系统总是非线性的，如何用一个线性模型去逼近实际系统是一个复杂的数学问题，很多教材从理论上解释了如何对微分方程线性化[1，2]。缺少从输入-输出的角度去描述非线性系统线性化，其实这更具有工程实践意义，同时也是容易被接受的。下面就从平衡点线性化和M序列系统辨识两方面来解释模型线性化和模型获取，同时给出了实际系统的控制器拓扑结构。这样就可以让学生对模型获取和控制器设计以及实现过程有了一个整体了解。
（一）平衡点线性化
实际系统都是非线性系统，而且工作点也并非处在零点这个位置，这里不妨设实际系统为非时变且可以被描述为：x=f（x，u）y=h（x，u） （1）
其中，x为系统状态，u为系统输入，y为系统输入，f，h均为光滑映射。
过程控制系统论文范文第5篇
关键词：自动控制原理；实验教学；虚拟实验系统
中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）35-0234-03
自动控制技术的应用提供了人们改造自然的能力，尤其随着计算机技术的快速发展和应用，生产和生活中随处可见自动控制技术的成功应用。自动控制技术已在工农业生产、交通运输、航空航天等众多领域发挥着越来越重要的作用。《自动控制原理》是自动化及相关专业本科生的重要专业基础课或选修课，课程的基本内容是关于自动控制的基本规律，介绍基于反馈控制的思想方法和面向控制对象的系统组成，强调自然科学性与工程技术型并存。因此，实验教学是课程教学的一个重要环节。昆明理工大学《自动控制原理》作为云南省级精品课程，在实验教学方面进行了改进。实验教学是精品课程建设的重要组成部分，要体现出课程的基础性、先进性和时代性；同时，为解决学校日趋紧张的实验设备及实验场地等实验教学条件问题，针对《自动控制原理》的实验环节，研究设计了《自动控制原理》虚拟实验系统。
一、建设仿真实验系统的意义
1.突破实验时间与空间上的限制。学生可以在任何有网络终端的地方，利用学校“网络在线”提供的网络平台，开展设计性实验，以及进行与实验有关的活动。通过网上仿真实验系统，可以开展理论验证、实验设计、仿真，进行模拟实验内容的预习等。通过实验理解控制理论相关知识，强化理论教学效果。
2.克服实验条件的限制。实验教学手段的现代化摆脱了原有实验条件的约束，利用系统实验平台可进行课程验证性实验和设计性实验，还可进行自主创新实验的设计与仿真活动。
3.促进学生创新意识和创新能力的培养。实验教学手段的现代化为学生开展创新活动营造了良好的条件。
4.发挥现代教育技术在教学中的作用。实验教学一直都是课程教育中的一个重要环节，本系统的实现对深入开展现代教育技术应用于实验教学是一个很大的促进。本系统作为精品课程建设中的实验教学条件建设的一个重要内容，补充了《自动控制原理》课程模拟实验条件局限外的虚拟实验条件，发挥了现代教育技术在教学中的作用。
二、虚拟实验系统在教学中的应用
1.系统功能。虚拟实验系统应体现出课程的基础性、先进性和时代性。根据《自动控制原理》课程特点和理论教学中的难点，结合课程模拟实验内容，虚拟实验系统设计了基础实验和自主设计实验，系统功能组成如图1所示。
该虚拟实验系统有两个层面的教学作用：（1）基础实验：包括典型环节特性实验、典型系统动态特性实验、典型系统频率特性实验、校正实验等四个基础实验内容。主要用于学习者对课程理论的认识与验证。通过不同数学模型表现的环节（系统）特性或现象，加深对理论的理解；学习者通过基础实验，可以验证理论，甄别概念，加深理解，达到加强教学效果的目的。（2）自主设计实验：主要用于学习者对控制原理的应用实践。学习者可设定不同的对象，通过对PID不同组合控制的实验现象分析，加深对PID控制规律的认识和理解。提供学习者自主性创新设计与应用实践的研究。
2.系统在教学中的应用。在课程教学过程中，学习者可根据理论教学进程，利用虚拟实验系统中提供的相关基础实验，对理论知识进行实验性验证学习和深入研究。学习者在学校“网络在线”上下载《自动控制原理》虚拟实验系统可执行文件到本机，启动系统即可进行实验。系统主界面如图2所示。
3.系统应用举例。《自动控制原理》课程中典型二阶系统的特征参数与动态性能之间的关系是一个教学重点和难点。学习者可选择图1中“典型系统瞬态响应”，通过改变二阶系统的两个特征参数——阻尼比ξ和无阻尼自然振荡角频率？棕n，观察二阶系统的瞬态响应，就可实证分析归纳出两个特征参数对瞬态响应的影响规律，建立典型二阶系统的特征参数与动态性能之间的关系，辨明并强化了对该教学重点理论的理解，通过实验达到对理论教学效果的提高。如图3所示为阻尼比ξ不同取值（图3（a）ξ=0.707，（b）ξ=0.5）与二阶系统瞬态响应的关系，学习者通过实验过程观察到二阶系统瞬态响应和性能指标，就可分析归纳出特征参数阻尼比ξ对瞬态响应的影响规律，即阻尼比ξ越小，系统超调量越大，系统相对稳定性越差；阻尼比ξ越大，系统超调量越小，系统相对稳定性越好；特征参数阻尼比描述了系统的振荡性。这种通过实验与现象分析归纳出结论的过程对学习者映像是深刻的，通过实践认知验证理论知识的过程极大地诱发了学习者探究性学习兴趣。既提高了学习效果，又积极促进了学习者创新意识和创新能力的培养。
4.系统应用情况。该系统于2009年8月完成，并在2009～2010学年上学期应用于自动化系2008级280人的课程教学中。特别是该学年课程正逢新老校区实验室搬迁交替之时，该课程模拟实验不能及时安排的情况下，该虚拟实验系统及时提供了学生280人的实验环境，在理论验证与研究层面补充了该课程模拟实验的效果，起到实验教学环节的重要作用。该系统已在自动化系2009级、2010级近520人的课程教学中应用。同学们使用本系统功能进行仿真实验，辅助理论教学与实践，积极促进了学习者的学习效果，在实验中培养了学习者的探究性学习兴趣，有利于学生创新意识和创新能力的培养。
该虚拟实验系统为一个可执行文件，运行条件不高，占用资源很少，学习者只需在校园网“网络在线”进入该虚拟实验系统课程，下载该文件在客户端，即可运行。该虚拟实验系统的开放运用，对理论教学效果起到积极的促进作用。虚拟实验系统体现了本课程的教学实验内容和基础性、先进性和时代性特点，能满足本课程虚拟实验系统的要求。《自动控制原理》虚拟实验系统丰富了该课程教学资源与教学手段。《自动控制原理》虚拟实验系统获得云南省教育厅2010年教学软件评比一等奖；《自动控制原理》课程教学改革与教学实践成果获学校2011年度教学成果一等奖。
参考文献：
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