自動控制原理課程教學改革探討

李可+趙德安

摘 要 自動控制原理是重要的基礎課程，具有理論性強、知識面廣等特點。通過對實踐教學中的授課方法、考核方式等方面的研究發現，將實例貫穿于理論教學過程中，可以激發學生的上課興趣，幫助他們提高分析問題、解決問題的綜合應變能力。通過實踐表明，教學效果顯著提高。

關鍵詞 自動控制原理 教學內容 教學改革 實例

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

Teaching Reform of Automatic Control Theory Course

LI Ke， ZHAO Dean

（School of Electrical and Information Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013）

Abstract "Automatic Control Theory" is an important foundation course with theory and strong， broad knowledge and so on. Through the study of aspects of teaching practice teaching methods， assessment methods found instances throughout the process of teaching the theory， can stimulate students' interest in school， help them improve analyze and solve problems overall resilience. Through practice showed significantly improve teaching effectiveness.

Key words automatic control theory； teaching content； teaching reform； example

0 引言

自動控制原理作為高等院校工科類學生必修的基礎課程，在電氣、機械、熱能等專業中處于非常重要的地位。自動控制原理是研究控制系統在控制過程中動、靜態性能的理論工具，理論性強、綜合性大，需要教師認真設置授課內容，組合多種教學方法，以達到傳遞課程知識點的目的。對已有控制系統性能分析、評價以及根據要求設計系統是學生掌握該課程的最終目標。本文從課程整體出發，針對教學過程中存在的弊端，提出在實踐中應加以實際系統為對象，建立數學模型，分析系統性能，評價并進行必要校正，將理論基礎與實際應用有效結合，以幫助學生提高其綜合應用專業知識分析工程問題的能力。

1 梳理課程內容，建立知識框架

自動控制原理主要以帶有負反饋裝置的閉環系統為討論對象。課程內容分為自動控制的基本概念、自控系統的數學模型、系統分析、系統設計與校正、非線性系統以及離散控制系統分析等幾部分。以線性系統為研究對象，可以在時域（變量）、復數域（變量）、頻域（變量）等不同的數學環境中進行分析求解。對應系統的數學模型分別為：微分方程，傳遞函數及頻率表達式，三種數學表達式可以根據不同域中變量間的關系進行相互轉化。環境不同，系統的分析方法也有所區別，有時域法、根軌跡法、頻域法三種。對控制系統三個最基本的要求為穩定性、動態性能（快速性和平穩性）、準確性。三種性能相互制約、相互影響，分析并解決這類矛盾，是研究控制系統的重要內容。圖1建立了線性系統的主要知識框架圖。

2 教學中實際存在的問題及改革措施

2.1 實際存在的問題

通過教學實踐，從學生掌握課本知識的程度以及對考核方式的分析來看，在教學過程中實際存在以下一些問題：

（1）基礎知識面廣、教學方式與考核方式的單一。自動控制原理涉及的學科較多，如數學、物理、電路、數模電、電機、機械等。前期基礎知識掌握不牢固，后期加上本課程理論性強，內容量大，課程課時少等多方面因素，學生會覺得本課程較難學習。目前的授課方式主要以理論講解和推導公式為主，通常忽略理論與控制系統實例的結合。課后學生機械地記定理、背公式、做習題，期末以一張試卷幾道計算題定期末成績。部分學生只需在考前一兩周強行記憶計算題型即可以輕松通過考試，對問題的來龍去脈一概不知。這些情況都客觀地反映出現有教學方式和考核方式的局限性和不合理性。

（2）理論知識與實際應用脫節。基于教學方式與考核方式的局限性，學生在學習過程中對實用性認識模糊，忽視了自動控制原理的工程意義，它需要解決的是實際工程項目問題。學生在面對某一具體問題時，從理論上不知如何運用相關知識去分析、解決問題，實踐中不能將實驗分析方法很好地結合到理論研究中，理論與實際應用脫節，不能培養具有綜合應用能力的實干型人才，造成學無所用的現象。

2.2 教學改革的具體措施

針對實際教學中存在的問題，為了從本質上提高教學水平和質量，提高學生的積極主動性，有必要對自動控制原理授課方式和內容作出改革和創新，在牢固學生的專業基礎上，應當從系統的角度改變學生的傳統解題思維，培養學生的獨立分析、解決問題的方法，提高學生的綜合應變能力。具體措施如下：

（1）明確本課程的教學目的。教師應以系統的觀點傳遞本課程的中心思想，要以概要性、引導性的講解帶領學生建立控制理論的概念，學會控制系統的分析方法。在教學中應當注重基本概念和基本原理的講解，淡化其中的計算過程。借助數學工具，發現各種理論方法的關聯性，觸類旁通，靈活應用。

（2）改變考核方式。轉變用一卷定成績的方式來判斷學生對本課程的掌握程度，把傳統的考試方式改為對學生綜合能力的考核。經過一個學期的學習和積累，串通各類知識點，開拓解決問題的新思路，掌握系統的分析方法，提出多個可行的解決方案。endprint

（3）將理論知識和實際工程緊密聯系。注重介紹控制學科發展的最新動態，選取控制工程中的典型實例，通過實例了解控制系統的結構、理論分析和設計技術，能更好地學習掌握自動控制的理論，具備對系統進行定性分析、定量估算和動態仿真的能力，為專業課學習和參加控制工程實踐打下必要的基礎。

3 “實例+原理”分析控制系統

基于本課程理論性較強，知識點覆蓋面廣，學生對分析控制系統的思路不明了的特點，引入一個實例用于自動控制原理的講解過程。以實例加深理論應用，培養學生以系統的觀點綜合分析解決問題。以某轉速控制系統為例介紹分析過程，主要包括以下四個步驟：

（1）建立轉速控制系統的數學模型。根據控制系統原理圖，畫出系統方塊圖，確定輸入輸出量及中間變量，由于微分方程在高階系統求解過程中的復雜性，可直接將各變量寫成拉氏變換型，根據元件的工作原理和作用，求得各部分的傳遞函數，最后消除中間變量得出總的傳遞函數表達式，即為轉速控制系統的數學模型。

（2）分析控制系統性能。鑒于頻率特性分析法的優點及在工程中的廣泛使用，本例可選取頻率法分析系統。根據Nyquist穩定判據，利用Nyquist曲線在坐標圖中的分布可判斷該轉速控制系統的穩定性，相對穩定性亦可計算相角裕度、幅值裕度得出。分析系統的動態性能，可參照半對數坐標系中Bode曲線的各分段直線，其中以穿過零分貝線的中頻段尤為重要。中頻段直線的斜率越小，平穩性越好；截止頻率越大，快速性越高。

（3）評價系統性能好壞，確定對系統進行校正與否。常用的幾種電氣校正裝置方式有超前、滯后以及滯后—超前校正裝置，根據對控制系統性能要求，如需改善系統動態性能則選取超前校正裝置；如需改善系統靜態性能則選擇滯后校正裝置；對于在穩態和動態性能均要求很高的系統則應選取滯后—超前校正裝置。

（4）對校正后的系統進行性能分析，驗證校正的合理性。校驗校正后系統是否滿足給定指標的要求，如果校正后已全部滿足性能指標的要求，則根據校正網絡的參數選定合適的電氣元件的數值，設計工作結束。反之，則需再次選擇合理參數，重新計算，直至滿足系統的指標要求。

4 結束語

筆者結合自動控制原理的實踐教學，提出了建議和改革措施，探討了在授課過程中將工程實例滲入各章理論知識的教學方法，有利于加強學生基礎知識的掌握。此外，在教學過程中適當借助硬件設備和軟件分析工具，鍛煉學生的實際動手能力，將理論與實踐相結合，能夠提高其綜合分析應用能力。以系統的概念，幫助學生樹立全新的邏輯思維模式來分析問題、解決問題，為今后的學習和工作奠定扎實的基礎。

參考文獻

[1] 高國燊，等.自動控制原理[M].廣州：華南理工大學出版社，2009.

[2] 程鵬.自動控制原理[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3] 崔治，崔憲普.Matlab仿真在自動控制原理課程教學中的應用軟件技術[J].現代電子技術，2009（18）.

[4] 周武能，等.自動控制原理教學改革與實踐[J].教學研究，2010.33（1）.endprint

（3）將理論知識和實際工程緊密聯系。注重介紹控制學科發展的最新動態，選取控制工程中的典型實例，通過實例了解控制系統的結構、理論分析和設計技術，能更好地學習掌握自動控制的理論，具備對系統進行定性分析、定量估算和動態仿真的能力，為專業課學習和參加控制工程實踐打下必要的基礎。

3 “實例+原理”分析控制系統

基于本課程理論性較強，知識點覆蓋面廣，學生對分析控制系統的思路不明了的特點，引入一個實例用于自動控制原理的講解過程。以實例加深理論應用，培養學生以系統的觀點綜合分析解決問題。以某轉速控制系統為例介紹分析過程，主要包括以下四個步驟：

（1）建立轉速控制系統的數學模型。根據控制系統原理圖，畫出系統方塊圖，確定輸入輸出量及中間變量，由于微分方程在高階系統求解過程中的復雜性，可直接將各變量寫成拉氏變換型，根據元件的工作原理和作用，求得各部分的傳遞函數，最后消除中間變量得出總的傳遞函數表達式，即為轉速控制系統的數學模型。

（2）分析控制系統性能。鑒于頻率特性分析法的優點及在工程中的廣泛使用，本例可選取頻率法分析系統。根據Nyquist穩定判據，利用Nyquist曲線在坐標圖中的分布可判斷該轉速控制系統的穩定性，相對穩定性亦可計算相角裕度、幅值裕度得出。分析系統的動態性能，可參照半對數坐標系中Bode曲線的各分段直線，其中以穿過零分貝線的中頻段尤為重要。中頻段直線的斜率越小，平穩性越好；截止頻率越大，快速性越高。

（3）評價系統性能好壞，確定對系統進行校正與否。常用的幾種電氣校正裝置方式有超前、滯后以及滯后—超前校正裝置，根據對控制系統性能要求，如需改善系統動態性能則選取超前校正裝置；如需改善系統靜態性能則選擇滯后校正裝置；對于在穩態和動態性能均要求很高的系統則應選取滯后—超前校正裝置。

（4）對校正后的系統進行性能分析，驗證校正的合理性。校驗校正后系統是否滿足給定指標的要求，如果校正后已全部滿足性能指標的要求，則根據校正網絡的參數選定合適的電氣元件的數值，設計工作結束。反之，則需再次選擇合理參數，重新計算，直至滿足系統的指標要求。

4 結束語

筆者結合自動控制原理的實踐教學，提出了建議和改革措施，探討了在授課過程中將工程實例滲入各章理論知識的教學方法，有利于加強學生基礎知識的掌握。此外，在教學過程中適當借助硬件設備和軟件分析工具，鍛煉學生的實際動手能力，將理論與實踐相結合，能夠提高其綜合分析應用能力。以系統的概念，幫助學生樹立全新的邏輯思維模式來分析問題、解決問題，為今后的學習和工作奠定扎實的基礎。

參考文獻

[1] 高國燊，等.自動控制原理[M].廣州：華南理工大學出版社，2009.

[2] 程鵬.自動控制原理[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3] 崔治，崔憲普.Matlab仿真在自動控制原理課程教學中的應用軟件技術[J].現代電子技術，2009（18）.

[4] 周武能，等.自動控制原理教學改革與實踐[J].教學研究，2010.33（1）.endprint

（3）將理論知識和實際工程緊密聯系。注重介紹控制學科發展的最新動態，選取控制工程中的典型實例，通過實例了解控制系統的結構、理論分析和設計技術，能更好地學習掌握自動控制的理論，具備對系統進行定性分析、定量估算和動態仿真的能力，為專業課學習和參加控制工程實踐打下必要的基礎。

3 “實例+原理”分析控制系統

基于本課程理論性較強，知識點覆蓋面廣，學生對分析控制系統的思路不明了的特點，引入一個實例用于自動控制原理的講解過程。以實例加深理論應用，培養學生以系統的觀點綜合分析解決問題。以某轉速控制系統為例介紹分析過程，主要包括以下四個步驟：

（1）建立轉速控制系統的數學模型。根據控制系統原理圖，畫出系統方塊圖，確定輸入輸出量及中間變量，由于微分方程在高階系統求解過程中的復雜性，可直接將各變量寫成拉氏變換型，根據元件的工作原理和作用，求得各部分的傳遞函數，最后消除中間變量得出總的傳遞函數表達式，即為轉速控制系統的數學模型。

（2）分析控制系統性能。鑒于頻率特性分析法的優點及在工程中的廣泛使用，本例可選取頻率法分析系統。根據Nyquist穩定判據，利用Nyquist曲線在坐標圖中的分布可判斷該轉速控制系統的穩定性，相對穩定性亦可計算相角裕度、幅值裕度得出。分析系統的動態性能，可參照半對數坐標系中Bode曲線的各分段直線，其中以穿過零分貝線的中頻段尤為重要。中頻段直線的斜率越小，平穩性越好；截止頻率越大，快速性越高。

（3）評價系統性能好壞，確定對系統進行校正與否。常用的幾種電氣校正裝置方式有超前、滯后以及滯后—超前校正裝置，根據對控制系統性能要求，如需改善系統動態性能則選取超前校正裝置；如需改善系統靜態性能則選擇滯后校正裝置；對于在穩態和動態性能均要求很高的系統則應選取滯后—超前校正裝置。

（4）對校正后的系統進行性能分析，驗證校正的合理性。校驗校正后系統是否滿足給定指標的要求，如果校正后已全部滿足性能指標的要求，則根據校正網絡的參數選定合適的電氣元件的數值，設計工作結束。反之，則需再次選擇合理參數，重新計算，直至滿足系統的指標要求。

4 結束語

筆者結合自動控制原理的實踐教學，提出了建議和改革措施，探討了在授課過程中將工程實例滲入各章理論知識的教學方法，有利于加強學生基礎知識的掌握。此外，在教學過程中適當借助硬件設備和軟件分析工具，鍛煉學生的實際動手能力，將理論與實踐相結合，能夠提高其綜合分析應用能力。以系統的概念，幫助學生樹立全新的邏輯思維模式來分析問題、解決問題，為今后的學習和工作奠定扎實的基礎。

參考文獻

[1] 高國燊，等.自動控制原理[M].廣州：華南理工大學出版社，2009.

[2] 程鵬.自動控制原理[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3] 崔治，崔憲普.Matlab仿真在自動控制原理課程教學中的應用軟件技術[J].現代電子技術，2009（18）.

[4] 周武能，等.自動控制原理教學改革與實踐[J].教學研究，2010.33（1）.endprint