基于工程應用能力培養(yǎng)的“自動控制原理”教學改革研究*

宋雪玲　　宋哲英　　劉朝英

（1、河北科技大學 電氣工程學院，河北 石家莊 050018　2、河北科技大學 理工學院，河北 石家莊 050018）

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基于工程應用能力培養(yǎng)的“自動控制原理”教學改革研究*

宋雪玲1宋哲英1劉朝英2

（1、河北科技大學 電氣工程學院，河北 石家莊 0500182、河北科技大學 理工學院，河北 石家莊 050018）

摘要：針對“自動控制原理”目前教學過程中存在的問題，結合工程應用能力培養(yǎng)的教學目標，從專業(yè)課程體系、教學理念及教學內容改革、實踐環(huán)節(jié)建設、網絡資源建設等方面對課程具體改革方法、步驟進行了分析總結，實現了從理論教學到工程應用能力培養(yǎng)的改革目標。

關鍵詞：自動控制原理；工程應用能力；教學改革

“自動控制原理”是控制類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課，是本科階段學習的核心課程，也是控制類研究生的入學考試課，在專業(yè)理論體系中占據重要位置，對后續(xù)課程的學習起到統(tǒng)領的作用，是所有自動控制系統(tǒng)設計的基礎，既具有科學理論的基礎意義又對工程技術具有實踐指導作用，是培養(yǎng)學生綜合素質，激發(fā)提高學生分析、解決工程問題的能力的關鍵環(huán)節(jié)，是今后專業(yè)領域發(fā)展的基礎。

“自動控制原理”課程理論性強、內容豐富、數學推導和計算量大［1］。主要包括控制系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析和控制器設計三大部分，各部分均需要大量的運算和畫圖。授課過程中，沒有以工程應用為理念的精心的教學設計，要想達到工程能力培養(yǎng)的目標是很困難的。在講這門課時，很多學生將它等同于了高等數學類的課程的學習，存在很大的誤區(qū)。另外由于教學學時的壓縮，如何在較短時間內讓學生掌握好基本的分析設計方法，提升工程應用能力也是目前“自動控制原理”教學改革中要面臨的一項難題。以工程教育為理念，構建科學合理培養(yǎng)方案的重要任務是實現從科學知識型向科學知識實用技能型的轉變，通過長期的教學實踐，為達到工程應用能力培養(yǎng)的教學目標，從以下方面進行教學設計與探索。

一、專業(yè)課程體系理念融入自動控制原理課程

“自動控制原理”是控制類專業(yè)的核心課程，后續(xù)的很多專業(yè)課可以看做是自動控制系統(tǒng)中的一個個組成部分，因此要注意各個課程之間內容的相互聯系，比如在授課過程中不能單單介紹自動控制中的理論，還要將后續(xù)相關的課程在該控制系統(tǒng)中的作用說明清楚，讓學生在學習自控時就建立起專業(yè)課程群的概念，明白各門課程之間不是獨立的，他們都是控制系統(tǒng)中的一部分［2］。例如，在講授數學模型時要說明后續(xù)課程中“電機學”就是研究電機的數學模型的這一概念；負反饋控制系統(tǒng)中的反饋環(huán)節(jié)對應“檢測技術”這門課，主要實現系統(tǒng)的被控參數的檢測，將非電量信號變?yōu)闃藴孰娦盘枺豢刂破髟诰唧w實現時要應用“單片機”、“PLC”等課程知識，是控制系統(tǒng)的“大腦”；執(zhí)行裝置對應“電力電子”、“過程控制”中的調節(jié)閥等，將控制量轉換為具體的流量或電壓的變化，來調節(jié)系統(tǒng)的被控參數。這樣在學的過程中不僅將自動控制系統(tǒng)，同時將整個專業(yè)課程形成一個整體，加深學生對專業(yè)的理解。

二、教學理念及教學內容的改革

自動控制最終要服務于工程、應用于工程，在教學理念上應從工程的角度來重新梳理教學內容。由于該課程是學生初次接觸工程系統(tǒng)，還沒有基本的概念，要想串好系統(tǒng)建模、分析、設計這條主線，在進行教學設計時，要將基本理論和工程應用相結合，從工程角度來介紹每部分的作用和聯系，充分利用MATLAB軟件的強大計算功能，避免復雜的推導計算，強調各部分的工程含義。各教學部分具體設計如下：

（一）系統(tǒng)數學模型部分

現有的《自動控制原理》教材版本很多，但共同的問題是缺少學生容易認知的主線，建模部分和系統(tǒng)分析部分的模型沒有連續(xù)性和針對性，各部分各自為政，學生不好理解。比如講模型時很多版本以電機的模型作為被控對象模型，但《電機學》課程還沒開，講多了自控的課時不夠，而且也不是本課程的重點，講少了，學生覺得疑惑，覺得自控書看不懂。為此在教學設計上可以選擇常見的溫度控制系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)等作為研究目標，從建模入手說明模型對系統(tǒng)分析的重要性，將抽象的數學推導，應用到具體問題的解決中來，增強學生對模型這一數學基礎應用的直觀認知，從這些常見的控制系統(tǒng)設計中激發(fā)學生對控制的興趣和理解。例如在教學設計中我們選擇了貼近生活的液位系統(tǒng)控制的水箱作為對象進行建模研究［3］。液位系統(tǒng)不僅常見而且該系統(tǒng)若研究單容水箱控制則屬于一階被控對象，雙容水箱控制則屬于二階被控對象，均為控制系統(tǒng)中典型的研究對象，具有普遍性。

（二）系統(tǒng)分析方法部分

建立了模型就要在模型的基礎上進行分析。系統(tǒng)的分析包括時域、根軌跡、頻域三種方法，每種方法都具有自身的特點，學生學完后普遍反映感覺內容較多，聯系不起來。在講授這些分析方法時，每講完一種，再以前面提到的液位模型的閉環(huán)比例控制作為典型系統(tǒng)對象，進行有關章節(jié)內容的系統(tǒng)分析和總結應用，幫助學生理解所講的響應曲線、根軌跡圖、頻率特性圖與系統(tǒng)真實運行情況之間的直接聯系，各方法之間的分析側重點及相互之間的互補與優(yōu)勢。系統(tǒng)的分析需要綜合運用所學過的方法，避免把所學過的方法割裂開來，各自為政。

（三）系統(tǒng)設計部分

在分析的基礎上，就要進行系統(tǒng)設計以完善系統(tǒng)性能。設計是本課程的重點也是難點。設計包括系統(tǒng)結構的設計和控制器的設計兩個方面，系統(tǒng)結構的設計是指采用閉環(huán)、串級還是復合的校正方式；控制器的設計指采用具有超前、滯后還是滯后-超前的校正裝置的選擇問題，設計的方法可以采用根軌跡法、也可以采用頻率法。在這部分可聯系前面的比例控制單閉環(huán)系統(tǒng)性能的分析，說明單純比例控制存在的問題，綜合講過的方法，采用適當的系統(tǒng)結構，加入合適的控制算法，改善原有系統(tǒng)的性能。將理論與實際工程要求聯系起來從而實現從建模、分析再到控制系統(tǒng)設計的工程系統(tǒng)研究連貫性。另外，同一系統(tǒng)采用不同的方法進行分析與設計，將課程的內容轉化為工程設計中的一個個環(huán)節(jié)，使學生掌握其內在聯系及區(qū)別，系統(tǒng)地、多角度地看問題，加深學生對課程內容及工程問題的理解。

三、實踐教學改革

實驗教學是重要的實踐環(huán)節(jié)之一，是培養(yǎng)具備科學創(chuàng)新能力的高素質人才的重要途徑［4-5］。“自動控制原理”培養(yǎng)計劃中，必須為學生設計合理的實踐培養(yǎng)體系，從低到高、從基礎到前沿、從接授知識到綜合能力培養(yǎng)逐級提高，將傳授知識、培養(yǎng)能力、提高素質溶為一體。

基于上述思想，借助MATLAB作為平臺，改革原來的驗證性為主的實驗內容增加設計性、綜合性實驗。在實踐環(huán)節(jié)，通過“基礎實驗”實驗幫助學生掌握運用現代軟件解決課程中復雜計算的能力，從而避開復雜的數學推導，在有限教學時間內提高教學效果。再利用MATLAB提供的Simulink仿真平臺，以虛擬真實為特征不斷優(yōu)化實踐內容，增加學習過程的趣味性，變被動學習為主動式獲取，更符合現代社會學生們的認知規(guī)律。在此基礎上又增加了課程設計環(huán)節(jié)，在課程設計中僅給出系統(tǒng)控制目標及被控對象，具體如何實現該控制目標學生可以自己發(fā)揮。充分調動學生自學和綜合運用理論知識的能力，進行系統(tǒng)理論分析和控制器設計。設計好后借助MATLAB軟件進行系統(tǒng)性能的驗證，檢驗設計的指標是否真正符合要求，如存在差異還需分析原因，做到對系統(tǒng)研究的舉一反三。有了基本理論及MATLAB軟件的輔助設計，再以實驗室現有的液位過程控制實驗裝置為載體，最終回到工程實踐中，將理論、仿真的設計結果在實踐中進行驗證，分析理論與實際控制效果的差異，提高學生實際動手操作的工程實踐能力，實現從理論到仿真再到工程應用能力的逐步提高。

四、發(fā)揮精品課優(yōu)勢，完善網絡教學資源

學時的壓縮、實踐環(huán)節(jié)的增加勢必造成理論教學過程的縮減，而且授課學生人數較多，我校通常為三個以上合班授課，單獨輔導時間較難保證。作為省級精品課，在前期建設的基礎上，我們將教學課件、課后作業(yè)的詳解、教案、授課錄像等資源上傳到校園網，方便學生自學或課下復習，彌補理論教學的不足，提高了課堂效率。另外通過建立QQ群，讓學生在出現疑問時可隨時解答，方便師生溝通，同時給學生提供“自動控制原理”國家級精品課的網站地址，方便報考外校研究生的學生有針對性地進行自學。

五、鼓勵學生參加科技競賽，以科研成果提升學習熱情

教學和科研是相輔相成的兩個方面，教學是科研的基礎，科研是教學的目標，兩者不可分割。航模比賽、挑戰(zhàn)杯等一直是我校的優(yōu)勢，每年都有學生在比賽中獲獎。因此在教學中講授理論知識的同時，增加了一些與身邊的科研結合的內容，讓學生看到利用所學知識，自己也能設計出自動循跡小車、航模飛行器等科研產品，鼓勵他們參加學院級、省級、國家級的電子大賽等項目，再將科研成果融入課堂教學，用身邊的實例調動學生的積極性和學習熱情，既培養(yǎng)學生的動手能力，又增加了課堂教學的生動性和趣味性，教學科研雙促進。

六、結束語

在本次教學改革中，工程應用能力是檢驗“自動控制原理”教學是否達到教學目標的標準。在教學過程中，經過精心設計每一個環(huán)節(jié)，加深了學生對理論知識的理解，激發(fā)了學生的學習興趣，工程應用能力明顯提高，實現了純理論教學到工程應用型教學的過渡，為后續(xù)專業(yè)課程的學習奠定了良好的基礎。

參考文獻

［1］隋金雪，華臻，等.《自動控制原理》課程教學改革與創(chuàng)新［A］第六屆全國高等學校電氣工程及自動化專業(yè)教學改革研討會論文集［C］.

［2］劉朝英，宋哲英，宋雪玲.基于MATLAB的控制類課程群改革［J］.電力電子學報，2009，31（S2）：37-40.

［3］李獻忠，孫為民，倪桂杰.高職高專《自動控制原理》教學改革與體會［J］.中國電力教育，2008（121）：100-101.

［4］xueling song，zheying song，chaoying liu.Teaching Reform of“AutomaticControlTheoryCoursefortheIndependent College Students”2010 international Conference on E-health Networking［J］.Digital Ecosystems and Technologies.

［5］宋哲英.改革實驗教學模式，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力［C］.2007年中國自動化教育學術年會，2007：642-644.

中圖分類號：G642

文獻標志碼：A

文章編號：2096-000X（2016）14-0118-02

*基金項目：本論文為河北科技大學理工學院教育教學研究課題（編號：2011z09），在此向理工學院的支持表示感謝！

作者簡介：宋雪玲，女，河北高邑人，河北科技大學教授，碩士研究生學歷，主要從事工業(yè)過程智能控制方向的研究。

Abstract:According to the problems existing in the course of"Automatic Control Theory"teaching process at present，combining with the teaching goal of cultivating the ability of engineering application，this paper analyzes and summarizes concrete teaching reform measures and steps from the perspective of discipline curriculum system，teaching philosophy，teaching content reform，construction of practice ability and network resources.It achieves the reform goal of combining the theory teaching with the engineering ability training.

Keywords:automatic control theory；ability of engineering application；teaching reform