《自動控制原理》課程教學設計與實踐

孫昌躍，歐青立

(湖南科技大學 信息與電氣工程學院，湖南 湘潭411201)

“卓越工程師教育培養計劃”是推進我國高等工程教育改革，促進高校培養適應社會發展需要的高級專門人才的重大舉措。因此，提高人才培養質量、培養創新型工程人才就成為工科類高校教育目前面臨的重要任務［1］。我校是教育部批準實施“卓越計劃”的高校，電氣工程及其自動化專業是首批進入該計劃的專業之一。為貫徹學校以社會需求為導向、以提高人才培養質量為目標、主動對接“四化兩型”建設戰略的人才需求和旨在培養具有“厚基礎、寬口徑、強適應、有特長”的高素質創新型人才的指導思想，落實“卓越計劃”的要求，我們對現有電氣工程及其自動化專業的課程體系進行了梳理和調整，以適應工程能力素質培養為主線的“卓越工程師”人才培養模式。其中，自動控制原理是電氣工程及其自動化專業的主干課程之一，所涉及理論知識不僅是后續其它專業課的基礎，而且其教學效果關系本專業“卓越工程師”的預期能力培養，因此該課程教學設計和實踐具有現實意義。

1 以教學目標為中心的課程教學設計和實踐

自動控制原理涉及控制工程的理論與實踐，強調反饋控制系統的分析、設計與實際應用，是“卓越計劃”電氣工程及其自動化專業最重要的專業基礎課程。除要求先修物理、高等數學等課程外，還要求具備拉普拉斯變換、線性代數等基礎，因此，相對缺乏理論知識與工程實踐的學生而言，其理論性和抽象性的特點決定了這門課程的難度。

《自動控制原理》課程教學以理論講授為主，如何體現工程元素，使課程教學能更好地保證學生學習到“卓越工程師”所需的技術基礎知識，我們從如下幾個方面進行了初步的探索與實踐。

1．1 基于反饋機理的教學過程組織

如圖1 所示，《自動控制原理》課程按照閉環控制系統的反饋機理組織教學［2-3］。每一章開始講授時就規定了本章節結束時學生應該掌握的基本知識點和應取得學習效果，使學生有明確的學習目標。每一章基本概念和基本原理講解后，結合對精心挑選的工程實例分析，進一步闡述基本概念和基本原理應用，不斷強化學生對基本概念和基本原理的理解、掌握及工程應用意識，并且每一章結尾對本章重點做簡要的總結，以強調本章所涉及的主要問題和結論。其次，根據課堂測試、作業和實驗的完成情況，通過及時調整課程講授進度、安排習題課和討論課等多種措施，幫助學生提高學習效果。總之，通過給學生設定每一章學習目標、根據對學生學習效果的評價結果和及時調整教學進度以及不斷改進教學方法，使整個教學過程構成以促進學生學習效果為目的的閉環控制，確保教學目標的有效落實。

圖1 教學過程的閉環控制

1．2 定性分析與定量分析相結合的教學思路

控制系統的定量分析顯然是重要的，但對問題及其分析方法的定性或直觀理解也是學生構建工程設計思維所需的關鍵因素。鑒于人們對新知識、現象的認知，總是遵循從定性到定量、再到定性的這一規律［3］。因此，只要有可能，在進行定量分析和設計之前，都要定性地討論新概念，以期在學生已有的知識基礎上建構新知識。

例如在討論基于根軌跡的校正方法時，引導學生觀察附加開環零、極點對閉環系統零、極點分布的影響所導致的系統動態響應變化情況，使學生能在直觀上理解與把握根軌跡校正方法的機理。又如討論開環系統的Bode圖時，將Bode 圖的低頻段、中頻段和高頻段與相應閉環系統的穩態性能、穩定性與動態性能和噪聲衰減性能聯系起來，并結合對二階欠阻尼系統定量分析所建立的時域性能指標與頻域性能指標的關系(如阻尼系數與相位裕度、調節時間與幅值穿越頻率的函數關系)，為基于開環系統頻率特性的校正方法奠定直觀的工程設計思路。總之，在引入新概念、方法時，注重基本概念講解和嚴格推理及數學證明相結合，以符合人們對新知識、現象的認知規律來引導學生掌握整個課程的分析、學習思路。

1．3 仿真實驗與硬件實驗結合的教學方法

如前所述，自動控制原理課程涉及的數理知識較多，對學生的專業基礎和抽象思維能力的要求較高。為了促進學生對基本概念和基本原理的正確理解與把握，我們利用湖南科技大學國家電工電子實驗示范中心的現有實驗裝備，整合了一組自動控制原理物理實驗項目。由于先修課程《電路原理》和《電子技術》奠定的基礎，主要由運算放大器、電阻、電容和電感等基本器件組成的物理實驗(如圖2 所示)，不僅節省了學生實驗準備、儀器儀表熟悉的時間，更為關鍵的是電工電子實驗中心開放式管理模式為學生自主開展實驗提供了一個靈活、寬松的學習環境，便于學生以各自認知模式來探索新領域和構建新知識。

圖2 二階系統實驗模擬電路

圖3 仿真實驗平臺界面

物理實驗以其直觀、感性形式為學生理解自動控制概念以及控制系統的分析方法和實際應用提供了載體，但物理實驗的使用畢竟受時間、安全等因素的限制而缺乏隨時性。為了彌補物理實驗的缺陷，我們在課程教學中引入了仿真實驗平臺。如圖3 所示，仿真實驗平臺除提供時域分析、根軌跡分析、頻率分析、控制系統的性能指標計算功能外，還涵蓋控制系統的校正、PID 調節器的設計和參數整定、離散系統的分析和設計功能。學生不僅可以通過仿真實驗來驗證每章所涉及的概念和基本原理，還可以采用“what if”探討學習來觀察系統參數和結構變化時所產生的結果。仿真實驗平臺配置要求低，能獨立運行，特別適合物理實驗前后的預習、復習任務和問題求解。此外，仿真實驗平臺包容不同的學習方式，實驗可以重復，便于迭代學習和隨時使用，學生可以利用課外時間來進行自主實驗和自我學習效果評價。另外，仿真實驗為抽象概念、原理的動態過程形象化提供了條件，有助于課堂教學效果的提高。

總之，在傳統書本及理論教學的基礎上，通過仿真實驗的良好交互性與實踐性，幫助學生更形象地理解概念;通過開放性實驗平臺，引入真實的物理系統，借助實際的應用來闡述理論，以期在加深學生理論理解的同時，提高學生的創新、動手與工程實踐能力。

1．4 強調案例研究和控制系統設計

每章教學的最后，安排一、兩個案例作為學生的課外作業。其中，一些案例源自自動控制理論的實際工程應用。通過對實際工程案例的分析與研究，學生有機會將抽象理論與實際工程應用聯系起來，從而激發專業興趣。作為貫穿整個課程教學的研究案例——單軸倒立擺系統具有非線性、強耦合、多變量和本質不穩定的特性，其控制問題能有效地反映諸如穩定性、魯棒性、隨動性以及跟蹤性等許多控制理論的關鍵概念，是檢驗各種控制理論的理想模型。通過對單軸倒立擺系統研究，學生可以進行建模、模型線性化、穩態和動態性能及穩定性分析。借助于仿真實驗平臺，可對單軸倒立擺系統進行時域法、頻域法和PID 的控制算法設計和各種控制器的性能比較。而我校自動控制專業實驗室配置的單軸倒立擺控制實驗系統，為學生進行各種控制器的實物驗證也提供了條件。總之，這種將單軸倒立擺為背景的案例研究貫穿于每章的設置方式，其目的是把整個課程所涉及的分析方法和設計方法有機地串聯起來，從整體上培養學生綜合應用知識的能力。

1．5 多種教學手段相結合的教學環境

為了有效地提高教學效果，我們充分利用學校的電化教學環境，制作電子課件，采用電視教學片、PPT、計算機輔助教學軟件、Matlab 仿真工具等多種形式進行教學，發揮多媒體手段的優勢。另外，借助學校的教學資源網平臺，上載每章的練習、帶參考答案的自測題以及一個或多個案例研究資料，供學生課外學習和自我學習效果評價。通過網上教學平臺，學生可以提交作業、在線測試、課程討論與疑問咨詢。通過網上課外答疑、輔導等方式形成教與學的互動，激發學生的學習興趣、調動學生的學習積極性。

2 結 語

以“卓越工程師”培養計劃為藍本，按照“卓越工程師”需要的知識能力及素質要求和人才培養質量標準，我們從教學思路、教學組織、教學方法、教學手段等方面對《自動控制原理》課程教學改革進行了初步地探討和實踐。課程教學設計強調教學目標的反饋閉環控制，教學內容體現專業方向、強化工程實踐，教學組織便于理論和實踐教學的同步推進與相互支持，教學手段和考核方法有助于教學水平和教學效果的提高。通過這種課程教學設計，旨在夯實學生的理論基礎，強化學生理論聯系工程實際的意識，充分調動學生的主觀能動性，提高教學效果，確保學生獲得未來發展的基礎知識。

［1］林 健．面向“卓越工程師”培養的課程體系和教學內容改革［J］．高等工程教育研究，2011(5):1 -9．

［2］Burke D．Strategies for using feedback students bring to higher education［J］． Assessment ＆ Evaluation in Higher Education，2009，34 (1):41 -50．

［3］Christopher Benjamin． Feedback for enhanced student performance:lessons from simple control theory［J］．Engineering Education，2012，7(2):16 -23．