關(guān)于自動(dòng)控制原理教學(xué)的幾點(diǎn)思考

趙環(huán)宇

[摘 要]自動(dòng)控制原理是電氣信息類，尤其是自動(dòng)化專業(yè)高年級(jí)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課。教師可以根據(jù)近幾年的自動(dòng)控制原理教學(xué)經(jīng)驗(yàn)及學(xué)校該課程的教學(xué)特點(diǎn)，對(duì)自動(dòng)控制原理的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、考核方式等方面進(jìn)行相應(yīng)改革。

[關(guān)鍵詞]自動(dòng)控制原理；教學(xué)內(nèi)容；考核方式

[中圖分類號(hào)] H319 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2016）12-0148-03

自動(dòng)控制原理是電氣信息類，尤其是自動(dòng)化專業(yè)高年級(jí)本科生的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程既包含深入的理論知識(shí)，又密切聯(lián)系實(shí)踐，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。這門課可以很好地指導(dǎo)學(xué)生的工程實(shí)踐，為學(xué)生以后從事自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)打下良好的基礎(chǔ)，還可以培養(yǎng)學(xué)生辯證的思維方法，提高學(xué)生綜合分析和解決問題的能力。[1][2]因此，教好這門課具有重要的理論和實(shí)踐意義。學(xué)校開設(shè)自動(dòng)控制原理這門課已有多年歷史，而筆者從事自動(dòng)控制原理的教學(xué)工作3年有余，現(xiàn)就本校該門課程的教學(xué)特點(diǎn)及筆者幾年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出幾條淺薄建議。

一、教學(xué)內(nèi)容的安排

自動(dòng)控制原理的教材很多，我們主要使用胡壽松主編的《自動(dòng)控制原理》第六版，一個(gè)學(xué)期48學(xué)時(shí)，其中理論40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8個(gè)學(xué)時(shí)。由于只有40個(gè)理論學(xué)時(shí)，課堂主要講解第一章到第八章內(nèi)容。

第一章和第二章是該課程的基礎(chǔ)部分。通常講解較慢，尤其是第二章控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。第一章和第二章講完，在學(xué)生對(duì)這門課程的理論體系、整本書的結(jié)構(gòu)安排有了足夠的了解后，再讓學(xué)生做好相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí)的復(fù)習(xí)工作，后面章節(jié)雖然有難度，但學(xué)生理解起來也會(huì)相對(duì)輕松。前兩章學(xué)生學(xué)好了，這門課就算入門了。

第三章是線性系統(tǒng)的時(shí)域分析法。本章是基礎(chǔ)且重要的一章，但由于學(xué)生已經(jīng)具備了一、二階電路響應(yīng)的知識(shí)，本章內(nèi)容理解起來相對(duì)容易。幾個(gè)重要的時(shí)域指標(biāo)，調(diào)節(jié)時(shí)間、峰值時(shí)間、延遲時(shí)間、最大超調(diào)量等要求學(xué)生熟練記住。一、二階系統(tǒng)較為直觀，容易掌握，對(duì)于高階系統(tǒng)沒有固定的類似于一、二階系統(tǒng)的解析方法，但可以利用Matlab軟件來計(jì)算分析，要求學(xué)生掌握借助Matlab這一軟件分析高階系統(tǒng)時(shí)間域響應(yīng)的方法。本章另一重點(diǎn)就是系統(tǒng)的代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)，即勞斯判據(jù)。

第四章是根軌跡法。根軌跡可以直觀地反映系統(tǒng)特征根的分布情況，但手工繪制精確根軌跡并非易事。本章主要要求學(xué)生掌握根軌跡的基本概念和繪制根軌跡的8條規(guī)則，以及如何利用Matlab來繪制根軌跡。

第五章是線性系統(tǒng)頻域分析法。頻域分析法主要通過Nyquist圖、Bode圖、Nichols曲線三種圖形給出了線性系統(tǒng)頻率特性的幾何表示方法，同時(shí)給出了線性系統(tǒng)穩(wěn)定的頻率域判別方法。頻率域方法較為直觀，但Nyquist圖畫起來比較復(fù)雜，難以畫得準(zhǔn)確；對(duì)于一些具有典型特征的系統(tǒng)，如含有慣性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)就較為容易；對(duì)于含有多種不同環(huán)節(jié)的系統(tǒng)則不太容易畫出準(zhǔn)確的圖形。這部分內(nèi)容仍然應(yīng)要求學(xué)生掌握基本概念、基本方法，會(huì)用基本方法解決較為簡(jiǎn)單的題型。對(duì)于較為復(fù)雜的題型，則應(yīng)掌握利用Matlab方法。Bode圖相對(duì)Nyquist圖能夠較為準(zhǔn)確地繪制，所以適合進(jìn)行系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。一般介紹在Bode圖上進(jìn)行系統(tǒng)校正。Bode圖上雖也可以進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析且看起來簡(jiǎn)單，但對(duì)于稍微復(fù)雜的對(duì)象尤其是非最小相位系統(tǒng)來說比較復(fù)雜，學(xué)生難以準(zhǔn)確掌握，這部分內(nèi)容應(yīng)該少講。Nichols曲線雖容易分析系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性指標(biāo)，但由于Nichols曲線的復(fù)雜性，現(xiàn)在應(yīng)用較少，故自動(dòng)控制原理中，Nichols曲線可不講。

第六章是線性系統(tǒng)的校正方法。本章內(nèi)容為經(jīng)典控制理論的核心內(nèi)容之一。這一章將涉及控制理論的具體應(yīng)用。系統(tǒng)校正方法較多，但目前課上主要介紹基于Bode圖的串聯(lián)校正，其余方法基本不作介紹。在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)應(yīng)重點(diǎn)介紹串聯(lián)校正方法，包括超前校正、滯后校正、滯后超前校正。這三種串聯(lián)校正實(shí)質(zhì)上分別對(duì)應(yīng)PI，PD和PID調(diào)節(jié)器，在講授過程中要講清楚它們之間的聯(lián)系，以及各種校正方法的實(shí)現(xiàn)，它們各自所起的作用，何時(shí)該用何種校正方法。除此之外，應(yīng)適當(dāng)講解實(shí)際工程例子，讓學(xué)生切身體會(huì)到PID控制器在工程中的實(shí)際應(yīng)用，也為學(xué)生后面從事控制理論研究打下良好的基礎(chǔ)。

第七章是離散時(shí)間控制系統(tǒng)。實(shí)際的控制系統(tǒng)大部分屬于離散時(shí)間控制系統(tǒng)。因此，離散時(shí)間控制系統(tǒng)這部分內(nèi)容需要重點(diǎn)介紹。Z變換是處理本章內(nèi)容的主要數(shù)學(xué)工具。講清楚如何由Laplace變換得到Z變換，講清楚二者之間的變換關(guān)系，便容易掌握Z變換。掌握了Z變換方法，再去講解差分方程及其求解方法就會(huì)容易很多。離散系統(tǒng)雖自成體系，尤其自身的一套分析方法，但與連續(xù)系統(tǒng)之間的聯(lián)系亦應(yīng)適當(dāng)介紹，這有助于學(xué)生利用已掌握的連續(xù)系統(tǒng)分析方法去相應(yīng)地解決離散時(shí)間系統(tǒng)的相關(guān)問題。

第八章是非線性控制系統(tǒng)。在有限學(xué)時(shí)內(nèi)，這部分內(nèi)容主要介紹幾種典型的非線性因素，以及描述函數(shù)法。由于相平面法較為復(fù)雜，對(duì)學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，這部分內(nèi)容可供考研學(xué)生選學(xué)。

總之，在講授自動(dòng)控制原理這門課程時(shí)，內(nèi)容上應(yīng)不時(shí)地作適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)于不同的專業(yè)方向，根據(jù)其特點(diǎn)和要求，分別進(jìn)行不同側(cè)重點(diǎn)的內(nèi)容安排。在學(xué)時(shí)允許的情況下，除了介紹基本概念和基本方法之外，還應(yīng)結(jié)合習(xí)題、實(shí)物仿真和教師科研項(xiàng)目中的具體應(yīng)用進(jìn)行實(shí)際演練，使學(xué)生能夠真正掌握本課程的實(shí)質(zhì)和應(yīng)用。

二、教學(xué)方法改革

由于知識(shí)體系的變化及學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)變化，在講授自動(dòng)控制原理這門課時(shí)，教師的教學(xué)方法也應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況作適當(dāng)調(diào)整，根據(jù)一些文獻(xiàn)所述及筆者體會(huì)，可以嘗試使用下面一些有別于傳統(tǒng)的教學(xué)方式。

（一）項(xiàng)目式教學(xué)方法

這種方法雖早有文獻(xiàn)報(bào)道，但實(shí)施起來有一定難度。對(duì)于現(xiàn)在學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，也難保證效果。文獻(xiàn)[3]中提到的項(xiàng)目式教學(xué)方法是基于工作過程的一種探究式教學(xué)方法，由教師將所要學(xué)習(xí)的新知識(shí)隱含在一個(gè)或幾個(gè)基于工作過程為導(dǎo)向的項(xiàng)目之中，讓學(xué)生通過自己對(duì)工作過程的項(xiàng)目進(jìn)行分析、討論、明確工作過程的項(xiàng)目大體涉及哪些知識(shí)，在教師的指導(dǎo)和幫助下找出解決問題的方法，最后通過項(xiàng)目的完成而實(shí)現(xiàn)對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用。用項(xiàng)目對(duì)能力進(jìn)行反復(fù)實(shí)訓(xùn)，課程教學(xué)實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)。如此，將實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)教學(xué)方法不同的三個(gè)轉(zhuǎn)變，即以教師為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為中心，從以課本為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐皂?xiàng)目為中心，從以課堂為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨ぷ鬟^程為中心。這種方法在實(shí)施過程中，對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組還可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。在現(xiàn)在還是以考試為主要考核方式的情況下，這種方法可以作為一種輔助教學(xué)方法，在部分章節(jié)的教學(xué)中使用。比如，控制系統(tǒng)校正部分，這部分相對(duì)前面幾章較難，可以給學(xué)生布置一個(gè)工程背景較強(qiáng)的綜合應(yīng)用題，讓學(xué)生分組去完成。這樣不僅可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以讓學(xué)生把本課程核心內(nèi)容掌握牢固。

（二）啟發(fā)—引導(dǎo)式課堂教學(xué)

這種方法主要從如何激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生提出問題、思考問題，引導(dǎo)學(xué)生如何解決問題入手，讓學(xué)生輕松愉快地掌握知識(shí)。[4]這樣學(xué)生不僅不會(huì)覺得理論知識(shí)枯燥無味，還會(huì)變得熱愛這門課程。比如，在講解自動(dòng)控制裝置的時(shí)候，不同的教材有不同的例子。我們?cè)谥v解時(shí)選用的是爐溫控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心是反饋控制。如何讓學(xué)生理解反饋的含義至關(guān)重要。我們先給出一幅人工控制爐溫的圖，讓學(xué)生試著回答工作過程。然后，提出問題：如果將人所做的工作換成自動(dòng)控制裝置，需要如何設(shè)計(jì)這個(gè)裝置？這個(gè)過程中可以提出反饋的機(jī)理。將自動(dòng)控制爐溫控制原理圖給出來的時(shí)候，學(xué)生將自然明白反饋的基本原理。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)

自動(dòng)控制原理是一門有一定理論深度，又注重實(shí)踐的課程。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是學(xué)好這門課程不可缺少的一種教學(xué)方法。這門課程實(shí)驗(yàn)主要包括在實(shí)驗(yàn)箱上對(duì)一些典型環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬和Matlab仿真兩部分。目前本校實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)基本原理的驗(yàn)證，即驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。這類實(shí)驗(yàn)本身對(duì)學(xué)生不具有吸引力，加之實(shí)驗(yàn)設(shè)備容易損壞，經(jīng)常不能順利完成實(shí)驗(yàn)，明顯不利于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)、創(chuàng)新和工程實(shí)踐能力。所以該門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要改革。除了基礎(chǔ)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)之外，還應(yīng)增加一些創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。如模擬PID閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、倒立擺的PID控制器設(shè)計(jì)與仿真、單回路液位自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真等。另外，教師還可以指導(dǎo)學(xué)生上網(wǎng)查詢相關(guān)文獻(xiàn)，分組進(jìn)行選擇創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。這部分實(shí)驗(yàn)不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也可以提高學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

Matlab軟件作為新型編程語言和可視化工具，有著其他軟件不能比擬的優(yōu)勢(shì)。近年來許多教材都增加了Matlab軟件內(nèi)容。教師在課時(shí)允許的情況下應(yīng)盡量教會(huì)學(xué)生應(yīng)用Matlab軟件解決自動(dòng)控制原理中的典型問題。

三、考核方式的改革

自動(dòng)控制原理是一門理論聯(lián)系實(shí)踐較強(qiáng)的一門課程，考核方式也應(yīng)該多樣化，不能只有單一的期末理論考試。課程考核是教學(xué)的一個(gè)重要組成部分，采取什么樣的考核方式對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和最終成績(jī)都將有直接的影響。[5][6]以往采取平時(shí)成績(jī)占30%，期末考試占70%的考核方式，教學(xué)效果并不理想。改革后將采取平時(shí)成績(jī)占15%、階段考試占30%、期末考試占45%、實(shí)驗(yàn)占10%的考核方式。采取這種考核方式不僅能夠考核學(xué)生對(duì)基本概念、基本理論及其應(yīng)用的掌握程度，還能提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和積極性。此外，學(xué)生的動(dòng)手能力也能夠得到很好的提高。平時(shí)成績(jī)主要包括作業(yè)和考勤。階段考試分兩次，每次總分50分，考試采取閉卷的形式，主要考查學(xué)生對(duì)基本概念和基本理論掌握程度。通過階段考試，學(xué)生將能夠記住相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)。期末考試將主要考核學(xué)生基本理論的應(yīng)用能力，改革后試卷中加大了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的比例。學(xué)院建有試題庫，有20套試題。提高實(shí)驗(yàn)成績(jī)比例，也有利于學(xué)生動(dòng)手能力的提高，為學(xué)生今后從事自動(dòng)化方面的研究工作打下良好的基礎(chǔ)。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 吳曉蓓.“自動(dòng)控制原理”課程講授的幾個(gè)要點(diǎn)[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2005（9）.

[2] 徐穎秦，潘豐.自動(dòng)控制原理立體化教學(xué)新體系的探索與實(shí)踐[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2012（2）.

[3] 周樹道，王敏.項(xiàng)目式教學(xué)在自動(dòng)控制原理課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].大學(xué)教育，2014（16）.

[4] 余純，季立貴，馮俊杰，韓文娟.“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)研究與實(shí)踐[J].考試周刊，2014（96）.

[5] 周勇.自動(dòng)控制原理考核改革探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013（15）.

[6] 李界家，魏惠芳.改革自動(dòng)控制原理考試方式提高學(xué)生素質(zhì)[J].教改創(chuàng)新，2012（31）.

[責(zé)任編輯：劉鳳華]