【基于CDIO模式的自动控自原理实验设计8000字（论文）】

基于CDIO模式的自动控自原理实验设计摘要CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育设计的最新成果，其培养大纲要求以综合的培养方式全面提高学生的工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力。自动控制原理是自动化专业的核心课程，自动控制原理实验是连接控制理论与实际工程的桥梁。在实验教学中引入CDIO教育模式，通过设置以实际工程为对象的实验内容，将不同的专业课程知识进行系统的整合，全面提高学生的专业素质，同时培养学生的创新能力和沟通协调能力，为走向工作岗位打下坚实的基础。介绍以MATLAB/RTW为核心、基于CDIO工程教育模式的“自动控制原理”课程实验教学平台，学生在传统的基础验证性和分析性实验的基础上，可在此平台上从软件和硬件两方面进行一系列更贴近实际工业应用、针对任意对象的控制系统设计工作，能使学生更全面深入理解课程内容，切实提高学生面对工程实际问题时的创新能力、实践能力。关键词：自动控制原理；实验设计；CDIO模式一CDIO教育模式 41.1CDIO 41.2实验教学平台的原理 4二在自动控制原理实验中引入CDIO理念 52.1实验设计 52.2实验教学平台的结构 5三、基于平台的实验组织和考核 73.1实验组织方式 73.2考核方式 8四基于CDIO理念的自动控制原理实验设计 84.1以工程项目为引导 84.2合理安排实验进度 94.3改进验证型实验 94.4开设综合型、创新型实验 10五结束语 11参考文献 11引言对自动控制原理课程自动控制原理目前实验教学主要是利用数学分析和控制系统设计的方法，包括操作和数学知识很多推导，所以在学习过程中，许多学生觉得控制理论知识是枯燥的，学习积极认真，它将需要使用的方式引导学生学习控制系统理论将被应用于控制理论，在知识的巩固和提高学习的积极性。这所学校主要用于工业自动化控制，大部分学生的工作面是实际的控制系统工程，所以我们需要培养学生把理论知识应用到实践意识的教学过程中，形成系统的概念。培训理念的目标不仅要求在课堂上引入工程系统理论，还要通过实验教学培养和提高学生具备专业素质和合格的工程技术人员的能力。自动控制最为传统的课堂教学来验证理论方法的原理，在实验过程中，学生在完成实验内容按部就班的实验指导，实验结果。实验的教学方法使学生缺乏实验的学习与思考，教学效果不理想，影响学习的积极性，导致理论与实践脱节，在毕业设计，不能在今后的工作将是专业知识的实际工程系统中的应用。一CDIO教育模式1.1CDIOCDIO是指构思Conceive、设计Design、实现Implement和运作Operate，是由麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学联合创立的工程应用的工程教育模式，提出了一种综合运营能力，培训实施和12标准的测试评价，倡导“近做“工程实践教学理念，让学生去创新，接触的课程实践，内容知识的学习、培训系统工程能力的学生，使学生有项目开发的能力，强大的设计和施工，有较强的创新能力、团队精神、领导能力、沟通能力和英语语言能力，并改善和轻重量的理论实践，高等教育系统，中国的个人学术技能的重视而忽视团队精神，小鬼最后对知识和学习的轻视开拓创新的文化，满足实际工作的需要。自动控制原理实验教学平台，本文所涉及到的是学习的思维和能力培养目标CDIO教育模式构建的内容体系，有机整体的自动控制原理课程体系通过结合实验平台设计。1.2实验教学平台的原理本平台设计的基本出发点是借助MATLAB的RTW工具箱实现控制程序代码的生成，简化了控制系统设计过程，提高了可靠性。传统的控制系统的设计如图1所示的体验过程中，算法的开发，从设计到应用在环仿真和半物理仿真实现了控制器的硬件在四阶段的应用，包括在控制算法的开发和算法的实现是相互独立的，这是必要的开发手册编写控制算法的控制器硬件，往往要经过反复的调试，导致低效率和开发成本高的发展，和写的代码的可靠性，不符合标准的产品中的应用。自动控制理论是自动化专业的一门重要基础课程，是运动控制、过程控制和智能控制的理论基础。随着控制理论在工业、农业、航空等各个方面的广泛应用，控制理论与各个行业正变得越来越密切相关，而现代企业对人才的自动控制要求越来越高。实验是自动控制原理课程的一个重要组成部分，通过实验可以使学生加深对理论知识的理解，但建立控制理论和工程实践之间的桥梁，巩固理论知识，提高学生学习理论知识的兴趣。CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育设计的最新成果，代表构思(Conceive)、设计(Design)、实现(Implement)和运作(Operate)，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。CDIO大纲将工科毕业生能力的培养分为四个层次的人际关系处理能力和团队工程系统工程的基本知识、能力和个人能力的培养，使学生在四个方面实现预定目标的综合程序。[2,3]CDIO高等教育实验教学中引入自动控制原理”，以技术知识为核心，以人文社会科学为主的综合性知识，随着自动化技术的高质量专业人才的培养。二在自动控制原理实验中引入CDIO理念2.1实验设计基于自动控制原理实验设计的CDIO模式，将提高自动化专业学生的专业素质，个人和团队的工作能力和工程系统的能力。根据CDIO教学大纲、自动控制原理实验教学设计可以从课程体系入手，强调实验内容的实际工程背景，培养学生的实验能力突出的形式，提高学生的实践能力和分析问题解决问题的能力，提高学生的专业素质。相比于传统的开发过程，RTW（Real-TimeWorkshop，Real-TimeWorkshop）为一体的MATLAB工具箱，可以直接生成优化的、便携的，对[3]从Simulink仿真模型的可执行程序不同的目标系统，如图2所示，控制系统的开发周期大大缩短，降低了设计的难度。2.2实验教学平台的结构实验教学平台是利用MATLAB/RTW自动代码生成功能的构建，是一个被控对象的半实物仿真平台的任何硬件，就可以控制对象的建模、控制算法的设计，在控制器的软件在环仿真一系列完全接近控制系统的设计步骤，工业应用课程的硬件和算法的数字仿真，该平台扩展的执行器和传感器的硬件，也可以完成半实物仿真的实物和完整的控制系统的验证。平台的结构如图3所示，它由主工作站、控制器和被控对象模拟器等三部分组成。主工作站是普通PC兼容机，操作系统是WindowsXP，运行MATLAB软件就可以了。它的主要作用是在仿真对象建模与分析、控制算法设计、Simulink仿真，目标机代码生成，编译，并对控制器的硬件下载链接，在实时监控的模拟过程的真实控制器与被控对象的仿真机、参数在线调整、数据记录等，并在仿真的数据后处理。在DSP开发板上的2812系列的电子控制系统，不仅因为它可以提供12路PWM信号输出通道，中断逻辑电路来满足硬件控制任务的要求，更重要的是DSP的MATLABRTW工具箱提供了一个用C代码编写的通用硬件接口，S-函数驱动的驱动模块封装，目标环境支持硬件可以生成在目标环境中执行的可执行文件。事实上，提供TIC2000和C6000驱动模块支持包括一系列的DSP，摩托罗拉mc680和PowerPC不同硬件的RTW工具箱，通过更换控制器的硬件，这个平台可以在不同的硬件完成仿真实验。目标模拟器由数据采集卡和工控机支持一个完整的模拟控制对象，并且可以通过A/D和D/A模拟过程中端口连接控制和控制传输（加入致动器和传感器硬件模拟真实环境）构成一个反馈控制环路。XPCRTW目标系统体系结构的发展，基于数学原理操作系统模拟机，它不需要在目标机器上安装任何操作系统，只需要使用特殊的启动盘启动，同时提供一个商业I/O板超过300种驱动模块包括研华，通过自动代码生成表单驱动的硬件，更重要的是，该系统具有实时显示和存储功能的界面，功能强大，易于实时数据监测与处理。基于这个平台，学生可以结合自动控制原理的过程控制、计算机控制等相关课程，完成接近工业应用，任意控制算法（PID反馈控制，鲁棒控制，等），指控任意控制器的硬件设计和控制系统的验证对象。中原工学院电信学院现有自控原理课程综合性实验是在硬件连接和软件界面都做好的XY运动控制平台上完成的，该平台由运动控制器、电机及其驱动、电控箱、运动平台等设备连接而成，由直流伺服电机接受控制器的命令调整运动平台的位置，学生实验内容是在构建好的平台上通过点击开发好的操作界面调试参数完成设计。[6]为了更贴近实际工程应用，让学生完成对工业对象（DC电机位置控制系统）的建模、校正设计、控制器实现为主线的一系列工作，可在原有平台硬件的基础上通过替换相应的硬件由学生完成运动平台控制系统设计和验证：先替换原运动控制平台中的控制器为DSP，并在平台中加入主工作站，在其上根据实验数据辨识电机位置控制系统的模型、设计其控制算法、完成全数字仿真验证，并构建控制程序模块下载至DSP控制器中；之后替换电机和运动平台为工控机，其上为模拟对象的传递函数，并与DSP连接完成硬件在回路上的仿真；最后再将真实的电机和运动平台放回控制回路，与DSP连接进行对真实对象的控制系统验证。三、基于平台的实验组织和考核3.1实验组织方式为了有效地提高学生的实践能力、创新能力和团队合作能力，可以结合CDIO教学模式的四个阶段，采取以下形式实验：将学生分为3到4人的单位的几组，每一组根据控制系统的性能指标应符合教师让团队成员提出的，通过设计的过程控制系统，讨论设计思路，同时，根据各自的专业知识和设计任务分工利益的成员，具体任务的成员；根据对象的全面分析和设计指标，选择系统建模完成最合适的选择方法模式识别，根据对象的属性确定控制算法设计的连接平台；硬件建设，包括A/D控制算法的控制程序模块、D/A、定时器中断，并通过自动代码生成的DSP控制程序的方式；由团队成员讨论确定仿真实验和物理实验验证的流程和顺序的需要的方式，并完成实验验证。3.2考核方式考虑到传统的提交报告的实验考核方式可能存在的抄袭、无法全面衡量实验情况的弊端，本实验平台采用考勤、逐项工作考核、最后答辩三种方式相结合的考核形式，具体内容见表1。其中平时考勤占10%，对细分的每一实验步骤的完成情况逐一考核，占总分数的70%，实验完成之后采用每组PPT结合口头汇报的形式对实验内容进行展示，教师和其他同学对其中的关键点和存在的问题进行讨论，该考核内容占期末成绩的20%。这种考核方式不仅能有效地督促学生认真完成实验，便于教师对实验完成情况的检验，同时也能够锻炼学生的总结和表达能力。四基于CDIO理念的自动控制原理实验设计4.1以工程项目为引导近年来，在控制理论的研究取得了重要进展，但在工业控制系统中的实际应用这些先进的控制理论是有限的，如工业控制自动化专业，学生必须能够更好的控制理论应用于实际工程系统。因此，在实验教学过程自动控制的原理，需要学习的理论知识和实践环节的控制系统，以培养学生的工程实践能力是理论应用于实验过程中的领域，同时，向学生介绍技术控制理论与控制，引导学生开阔视野，从整体上把握专业发展方向。基于CDIO模式的概念，对自动控制原理实验教学的设计，可用于实验教学模式的实际工程项目，让学生直观地感受到了控制理论在工程实践中的应用，激发理论学习的积极性，由基础知识的积累。例如，第一个实验可以是一个演示实验，真正的控制系统作为实验对象，如电机控制系统，液位控制系统等。通过演示实验，向学生介绍每一部分的控制系统，控制结构，设计过程，控制性能的数学模型，应用主要集中在物理意义的模型参数与控制系统的理论，使学生了解实际的模型和接触抽象的数学模型。简要介绍了自动控制理论的应用和重要性，提出了“自动控制理论”课程的学习兴趣，提高了理论学习的积极性。4.2合理安排实验进度自动控制实验不仅掌握一些测量仪器和模拟设备操作的目的原则，更重要的是巩固理论知识，通过实验，启发学生的思维，培养学生的创新意识、系统工程。自动控制原理实验课可根据理论课的进度安排，建立实验内容和实验形式。如演示实验、验证性实验、综合性实验、创新性实验等。综合实验和创新实验可以设置不同层次的实验，让学生根据自己的学习基础和爱好选择。在第一个实验课安排的演示实验，演示实验班设置2~4小时，通过一个实际的工程系统，如DC电机速度控制系统，自动控制系统的原理：首先在前两章的基础上介绍了教材的自动控制原理，如何构建一个系统的数学模型和相关的数学知识；其次，结合课程教材的理论遵循时间域和频率域和根轨迹分析系统做简单的解释；最后介绍了业绩修正的方法和系统分析系统。这样，通过工程实验将自动控制理论与理论联系起来，使学生从一开始就关注理论课，同时确立了实验研究的信心。根据日程安排和自动化在自动控制理论课程的实验，结合工程自动化实验研究结果其他院校，在开放初期课程的初步验证实验，如典型的链路和时域响应分析和稳定性分析，电路仿真，使学生充分熟悉实验设备和加工简单故障分析。在开环过程中进行仿真实验，如线性系统根轨迹分析和频率响应分析，建模和仿真学生熟悉典型控制系统的数学模型，掌握MATLAB编程和Simulink建模。后期课程开设综合性实验，如控制系统，控制系统，水的温度和湿度控制系统的设计、仿真和调试的方法，让学生熟悉实验过程中的控制系统，注重学生工程实践能力的培养。最后的实验过程可以设置为一组创新实验，学生收集数据的能力，进一步提高动手能力和团队合作能力。4.3改进验证型实验证明实验不仅要控制理论知识的验证，更重要的是培养学生的学习能力和运用实验仪器的调试方法基础，学生的基本科研能力。自动控制原理的验证实验主要是验证典型链路的时域响应。在自动控制原理实验中来，实验验证所占的比重比较大，学生按照实验指导来建立良好的模拟电路，根据所记录的数据的要求完成实验内容，大多数的书写实验报告，实验的形式。验证实验的设计主要包括以下几个部分：（1）实验预习。根据实验的内容，学生需要提前预习实验原理，并准备预习报告，主要是对数学模型的分析和实验对象的参数，如放大、时间常数等。（2）灵活安排实验表格。CDIO人才培养计划的重要指标，是培养学生实践能力。验证性实验是培养学生实践能力的重要途径。验证实验不仅连接电路和记录结果，而且还包括电路和测量仪器的调试，简单故障的诊断和消除。MATLAB仿真软件也是分析控制系统的重要工具。MATLAB语言是目前国际上最流行的语言控制领域，具有较强的科学数据可视化、数值计算、系统建模和仿真功能[6]。MATLAB仿真在自动控制实验中的引入，更有助于学生掌握控制理论知识，并利用计算机辅助分析与设计为综合性和创新性实验奠定基础。（3）简化报告表格。该报告的重点应该是在实验过程中遇到的问题的分析和实验结果的分析。对于不同类型的实验，报告的形式也应该是多样化的，而不是一般的原理和实验过程的复制实验。4.4开设综合型、创新型实验在CDIO培训大纲，除了工程学生的基本知识的培训，提高个人能力，系统的团队工作能力和工程能力的两个指标是非常重要的，在自动控制原理实验，主要通过建立综合性实验和创新实验实现两者的培养目标。综合性实验要求学生具备一些基本的实验技能和专业课程的综合知识，属于自动控制理论的后期阶段。通过设置液位控制系统、湿度控制系统、温度控制系统和其他一些专业课程相结合的综合性实验，使实验班学生的预见控制理论和检测技术，结合专业知识，了解实验过程中的控制系统的结构和工作原理，建立了实际控制系统的调试模拟的数学模型和仿真结果的控制系统。[7]通过综合实验，控制工程数学模型的建立及实际控制系统之间的桥梁，使学生进一步理解整体设计、工程控制系统的仿真和调试方法，加强学生工程实践能力。课程最后的实验可以采用课程设计的形式建立创新性实验。创新实验项目的方向控制系统可以参考电子设计竞赛的主题，如回转倒立摆、智能小车控制系统，也可以让学生根据兴趣和专业知识自主选择实验内容。这些实验是以团队形式进行，从信息获取、理解内容，建立系统的体系结构和控制参数，选择数学模型，进行仿真分析来选择组件、硬件电路、控制程序、系统调试等直到全部由学生独立完成，团队成员分配任务。通过这个实验可以锻炼自己的综合知识的检索能力和筛选能力，专业知识和能力的训练科目，团队成员之间的合作与协调，同时从实验指导书，让学生充分发挥主观能动性，多渠道拓展知识。利用MATLAB软件，编写M程序或画Simulink仿真图，能够完成本课的大部分试验，既可完成验证性试验，又可完成设计性和综合性试验。根据理论课堂上老师MATLAB的仿真演示和学生课余时间的自学，老师只需提供仿真题目，由学生在自己电脑上独立完成，教师在课外辅导并检查即可。这种MATLAB仿真实验，既对硬件进行补充和完善，又可以完成硬件实验不能完成的试验，对知识的理解和掌握起到很好的作用。本校试验室可以完成教学大纲要求的硬件试验。实验内容包括验证性实验、综合性实验。验证性主要强化学生对理论知识的理解和消化，内容有使用运算放大电路模拟典型环节，二阶系统动态响应和稳定性分析，系统的开环频率特性等。综合性实验是学生在了解和掌握了验证性实验的基础上进行的，内容有PID调节器的设计、线性系统的串联、并联校正、直流电机调速等。以往实验安排都是理论课堂全部结束，集中学时做实验。因理论课与实验课脱节，学生缺乏理论知识，也只是按照书中电路图连连线，写写实验报告，缺乏深入研究。为了改变传统实践教学弊端，我系特别进行了实验安排设计。把课程的全部实验融入到理论教学中来，理论教学一讲完，立刻进行实践教学，使学生对所学理论有强烈的感性认识。为了避免实验安排与别的班级冲突，在学期的第一周系全部老师开会，统一安排实验课表。五结束语CDIO教育理念是培养应用型工程技术人才，并与自动化专业的培养目标相一致。自动控制原理是自动化的主要课程，实验是控制理论与实际工程实践的桥梁。因此，在自动控制实验教学中使用教育理念CDIO模式不仅可以锻炼学生的实践能力，该系统还可以通过实验整合各种专业知识，而综合性实验和创新性实验项目实际是一个基于培养工科大学生能力体系，并进一步拓宽学生的视野，培养创新能力，为国家和社会培养高质量人才，自动化专业。课程设计是一项综合性较强的工作，它要求学生在具备了一定的实验能力的基础上，把所学到的电子技术、控制元件、传感器、自动控制原理、仿真方法、计算机等知识进行综合，用科学的方法，技术来分析、解决实际问题。结合生活实例，指导老师可以提供设计题目，例如粮食仓库的湿度控制系统设计、温度控制系统设计，红枣的自动清洗系统设计等，由学生分组完成，老师进行课外指导就行。这些具有创新性和设计性的课程设计，可以提高学生的工程实践能力和团结协作能力。把CDIO工程教育模式引入到《自动控制原理》课程的教学设计过程中，通过以上几个方面的努力，对我校农业工程类学生做了三届的教学实践，取得了明显的教学效果。希望在今后的教学设计之路上，能为我校农业工程类专业的教学质量的提高和较高综合素质的工程人才的培养贡献力量。在实验教学中存在的问题出发，基于理论基础、教学与传统的验证性实验，介绍了CDIO工程教育模式，基于MATLAB的自动控制原理实验教学平台，该平台与实际工程应用实践，解决实际工程问题为前提，以提高学生的实践能力、