“自動控制原理”教學改革與實踐探索

彭小芳?方衛紅?劉良兵?鄔曉嵐

摘要：分析了“自動控制原理”的特點和教學中存在的問題，從教學內容、教學方法和實驗環節三個方面進行了教學改革，以激發學生學習興趣，提高教學質量。通過教學實踐表明，這一改革取得了較好的教學效果。

關鍵詞：自動控制原理；水位控制系統；工程實例

作者簡介：彭小芳（1982-），女，重慶人，中國人民解放軍后勤工程學院，講師；方衛紅（1972-），男，江西廣豐人，中國人民解放軍后勤工程學院，副教授。（重慶 401311）

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）07-0084-02

“自動控制原理”是高校自動化類專業的專業基礎課，在整個專業教學體系中起著承上啟下的重要作用，是整個專業知識框架構建的基礎，也是學生學習后續專業課程不可缺少的先行基礎課。該課程不僅對工程技術具有指導性，而且對培養學生的辯證思維能力，學習建立理論聯系實際的科學觀點以及提高其分析問題的綜合能力都有著重要的作用。學生深入理解掌握“自動控制原理”課程的概念、思想和方法，對于其日后解決實際控制工程問題、掌握控制理論其他學科領域的知識都是必備的基礎。

該課程具有內容多、理論性強、涉及知識面廣等特點，有一定的深度和學習難度。在學習過程中學生容易感到枯燥乏味，產生厭學情緒，因為他們更希望學習一些工作后立馬就能用的學科。在教授過程中教師為突出對方法的講解，則易過分強調理論推導與分析，而忽略工程應用，導致學生學習該課程后會做題了卻與實際應用脫節。為了提高教學質量，有必要對該課程進行教學改革。

一、精選教學內容，提高教學質量

“自動控制原理”是一門理論性、實踐性和綜合性都比較強的課程，是具有一定深度和學習難度的課程，內容多、學時少的矛盾非常突出。[1]本校對該課程的安排總學時是66學時，其中實驗12學時。授課內容主要包括自動控制的一般概念、控制系統的數學模型、線性系統的時域分析與校正、根軌跡法、線性系統的頻域分析與校正。相對于課程標準要求的內容來說，課時安排較少，因此出現了課時非常緊張，上課節奏過快，習題課少的問題，學生的學習效果不好，普遍感到所學內容不易消化。如何在有限的課時內讓學生熟練掌握控制系統的分析與設計方法，精選教學內容，提高教學質量，加強對學生的能力培養，成為本課程改革的關鍵。

首先，要根據課程標準和該專業培養目標要求，精選出教學重點內容。對教學大綱中的重點內容不僅要重點講解，而且要講深講透，起到舉一反三的作用。對一些基本概念、基本原理和基本方法要讓學生很清晰地知道其工程意義。而對有些在以前課程中講過的內容，在課堂上只對內容的應用之處進行講授，略去重復內容。對于教學大綱中規定了解內容和一般性了解內容，要少講或者不講，作為自學內容讓學生在課下自學。[2]

其次，要使學生將本課程內容串聯起來，熟悉各章節之間、各種方法之間的內在聯系及連貫性。學生在學習過程中往往并不清楚各個知識點之間的聯系，以及各個章節之間的因果關系，總感覺“不識廬山真面目”，學習起來很費力。所以在教學過程中，教師應當理清知識脈絡。[1]課程內容設計中采用“一縱三橫”的設計思路，具體來說，“一縱”就是在課程講授中要求貫徹自動控制系統的建模、分析及設計方法這條主線，重點強調工程應用背景，突出能力培養。“三橫”就是在方法講授中要求強調自動控制系統的穩定性、快速性和準確性，穩、準、快三個字是分析的核心，也是設計的歸宿。在對該課程進行理論分析基礎上，注重強調分析和設計的方法及其工程意義及對其實際應用的闡述。

二、工程實例教學法的應用

該課程理論性強，教師在教的過程中往往強調其邏輯性及理論體系性，而學生在學的過程中卻常常忙于背公式、做習題，將其當成更為高深難懂的數學課程。為改善這種狀況，突顯“自動控制原理”課程與工程實際緊密聯系的特點，本院引入工程實例進行教學，即以一個工程實例貫穿“自動控制原理”授課全過程。工程實例式教學法采用由淺入深的方式，在授課之初教師提出工程要求和設計目標，待相關章節理論講解之后，就要求學生完成階段設計目標，這樣層層遞進以項目形式使公式形象化，用實踐促進理論應用，培養學生工程應用意識，強化實踐動手能力。[3]本課程在教學過程中主要以水箱水位控制為主要實例，貫穿該課程主要內容。

第一章為自動控制的一般概念，應要求學生重點掌握閉環控制系統的工作原理，能夠繪制系統方框圖，授課過程中著重于水位控制系統的工作原理分析及方框圖繪制方法，在此基礎上舉一反三地引入其他控制系統。水位控制系統的原理如圖1所示：

第二章內容為建立系統數學模型，首先建立單容水箱、閥門、液位計等設備的時域數學模型，然后以水位控制系統為例，建立系統的微分方程。為了計算簡單引入傳遞函數，此時在第一章的方框圖中各設備中填入相應的傳遞函數，即數學模型的第三種方框圖表示法，由此引入方框圖如何求傳遞函數。

第三章為系統時域分析法，單容水箱即為典型的一階系統，其方框圖如圖2所示，如果直接采用比例控制，可以改善系統的過渡過程，但是系統確存在穩態誤差。為了消除穩態誤差，即引入積分控制，系統則由一階系統變成二階系統，然后對二階系統進行性能分析（也可以通過雙容水箱控制系統進行分析）。通過前面的學習，可以知道穩態誤差與輸入信號有關，與積分環節有關，在穩態誤差一節中就可進行詳細分析，通過前面水位控制系統來驗證穩態誤差法的應用。

最后，要求學生可以應用根軌跡法和頻域法對系統進行定性及定量分析，并實現控制器的參數選擇，如比例系數、積分時間常數、微分時間常數等。PID控制器廣泛應用于很多工業部門，適用性較強，到目前為止，PID控制是最廣泛應用的基本控制方式。此處可以以三容水箱水位控制系統為例，進行PID控制算法的參數整定，使學生熟悉PID控制算法及其頻域法和根軌跡法在系統設計與分析中的應用。

講授過程中，教學的目標不是教會一個例子，而是讓學生通過例子學會相關的分析與設計方法。以由淺入深的工程實例提高學生對課程內容的認知熱情，通過一個工程案例貫穿始終，讓學生能夠學以致用，能夠真正做到理論聯系實際，提高學生分析問題及解決問題的能力。

三、改革實驗教學環節探討

“自動控制原理”課程理論性強，實驗是理解和消化課程內容的重要途徑。目前許多高校還處于模擬實驗階段，主要通過自控實驗箱和Matlab軟件仿真來完成實驗課的教學。

自控實驗箱利用集成封閉的實驗箱，將相應的有源網絡模塊連接成典型環節或系統，再施加典型信號，通過示波器觀察實驗結果。雖然這種方式可以在一定程度上提高學生的動手能力，加深其對課堂所學內容的理解，但還存在著一些弊端：學生只是依據給定的電路來連接，對于控制系統的參數不知如何調整，很容易造成硬件電路的損壞；實驗設備高度集成化，可擴展性差，可改參數有限，使得綜合性和設計性的實驗難以開展；實驗內容形式老化，不能達到實驗要求和促進課程理論教學的目的。[4]

為克服實驗箱的不足，許多高校將Matlab仿真與模擬實驗有機地結合起來，既能克服傳統模擬實驗的局限性，又培養了學生應用現代化的工具進行系統分析、設計及解決實際問題能力，不僅讓學生掌握Matlab在控制系統分析與設計中的運用，而且可以使學生將實驗與理論結合，發現試驗箱實驗中存在的問題。

雖然將Matlab仿真與模擬實驗有機地結合為后續課程及以后從事相關研究工作打下了基礎，但其仍然處于模擬實驗階段，學生學習完該課程仍不知道如何將理論與實際工程應用相結合。因此，本文將實驗環節分為三個部分：實驗箱、Matlab仿真和過程控制系統實驗。

實驗箱與Matlab仿真結合實驗：本校采用“THKKL-5型控制理論-計算機控制技術”實驗箱，選擇性地開設兩個實驗，即典型環節的電路模擬和系統頻率特性的測量。在進行實驗箱實驗的同時，通過Matlab進行實驗結果驗證，看是否存在不一致的狀況，并分析原因。

Matlab仿真實驗：包括控制系統的根軌跡及其性能分析，Bode圖及其頻域分析。

過程控制系統實驗開設：依托過程控制系統實驗室進行以下實驗的開設，水位控制系統數學模型的建立、水位控制系統的時域響應及參數變化對系統的影響、PID控制器的設計。

教學實踐證明，引入工程實例到“自動控制原理”課程實驗環節中，讓學生知道學好“自動控制原理”對科學研究和工程應用都有著十分重要的作用。在往年的教學過程中，學生不知道學這么課程的意義，認為只要會做題就可以。增加工程性實驗后，學生明白了“自動控制原理”課程的實際意義，激發他們的學習熱情，提高了學習效率和理論聯系實際的能力加強了對學生工程應用能力的培養。

四、結束語

在“自動控制原理”課程改革過程中，主要從如何選擇教學內容、提高教學效果、激發學生學習主動性，提高學生的學習效率及分析問題、解決問題的能力方面入手，優化了課程教學內容，并在教學過程中由淺入深地引入了工程案例法，并增加了相應的實驗環節單元，打破了傳統的純模擬實驗環節。該方法在教學實踐中取得了較好的效果。教學改革是一個漫長的過程，靠課堂教學提高教學效果是一個方面，如何提高學生的學習興趣與自學能力也是關鍵，因此需在教學中不斷總結經驗，提高教學效果及學生學以致用的能力。

參考文獻：

[1]范為福，王雙紅.“自動控制原理”課程教學改革與實踐[J].中國電力教育，2012，（6）.

[2]柳明，王海軍，郭慶葉.交通運輸專業《自動控制原理》課程教學改革研究[J].中國民航飛行學院學報，2012，（2）：63-65.

[3]趙肖宇，劉坤，梁清梅.一個工程實例貫穿“自動控制原理”教學過程[J].牡丹江大學學報，2012，（2）：180-181.

[4]結碩，韓光勝.Matlab在自動控制原理實驗中的應用[J].實驗技術與管理，2012，（2）：95-97.

（責任編輯：宋秀麗）