基于工程教育專業認證的自動控制原理教學改革研究

張可兒,韓娜妮,趙 莉

（隴東學院電氣工程學院，甘肅 慶陽 745000）

我國在2016 年加入《華盛頓協議》組織后，提出了以學生為中心、產出導向（OBE）和持續改進（CQI）三大教育理念，其核心是涵蓋應用知識、公民責任和綜合能力三大方面的12 條畢業要求，其中，重點要求畢業生具有表達、分析、理解、研究和評價復雜控制系統的能力[1]。

根據工程教育專業認證的要求，我校新制訂的自動化人才培養方案注重學生素質的培養，使學生具有基礎扎實、專業性強的特點，具有分析問題、解決問題的能力和創新意識，同時注重提高人文科學、法律法規、職業道德素質等修養，使學生能夠成為自動化相關領域的高素質專門人才，并具備解決自動控制復雜工程問題的能力。

《自動控制原理》是自動化專業核心課程，是一門理論性較強的工程科學。通過該門課程學習，要求學生掌握自動控制的基本原理，熟練掌握各種理論分析方法；同時通過實驗，將理論與實踐有機地結合起來，培養學生一定的實際動手能力及解決自動控制復雜工程問題的能力。

目前，關于自動控制原理課程教學改革研究有了較多的研究成果。邢燦華[2]重點研究了提高自動化專業核心課程《自動控制原理》課程目標達成度及課程達成度的方法。在文獻[3]中，張萍研究了MATLAB 軟件在分析線性系統穩定性中的應用，論證了引入MATLAB 仿真軟件的必要性和可靠性。王妍[4]等結合工程教育認證的背景，分析《自動控制原理》課程的特點和存在的問題，通過調整教學大綱和實驗課程，建立新的考核模式，提高學生辯證思維能力、解決問題能力和科學研究能力。武曉晶[5]等利用網絡教學平臺，多方位的研究了《自動控制原理》課程的教學改革。

本文面向工程教育專業認證，針對目前教學中存在的問題，研究了Matlab 軟件在自動控制原理課程中在培養學生解決實際工程問題能力方面的應用。充分利用Matlab 軟件，不僅能夠幫助學生學習、理解理論知識，同時克服實驗學習時間和空間的限制，提高學生學習效率，鍛煉學生獨立思考、解決控制問題的能力。

1 傳統教學存在的問題

自動控制原理具有理論性強、概念抽象、知識系統性強的特點，對學生的數學能力要求較高。在傳統的理論教學中，教學過程枯燥，學生學習的難度較大，興趣較低，學習效果不理想。并且現有教材和實際工程實例結合的較少，難以突出自動控制原理在實際工程問題中的應用。

在傳統的實驗教學中，由于實驗設備和課時的限制，大部分的實驗只是對理論知識的簡單驗證，難以進行系統設計等復雜性的實驗。

Matlab 軟件由于其強大的功能廣泛應用于自動控制、數學運算、信號分析、航天工業及語音處理等行業。在自動控制原理課程中引入Matlab 軟件具有多個優點。首先，在線下理論學習中，學生可以利用Matlab 進行理論驗證學習，提高自主學習的能力；其次，通過軟件仿真學習，學生學習理論知識和實驗學習可以不受時間和空間的限制；最后，在實驗設備有限的情況下，通過軟件進行理論驗證、系統分析和設計，最大限度的培養學生解決復雜控制系統問題的能力。

2 Matlab 在自動控制原理教學中的應用

2.1 基于Matlab的教學改革

自動控制原理課程課堂教學主要是系統的分析。在講授系統分析中，重點放在分析方法和原理的理解上，對于根軌跡、Nyquist 及Bode 的復雜圖像的繪制可以借助Matlab 進行完成。同時，Matlab 也可以完成實際復雜工程問題的仿真分析。Matlab 軟件在實驗教學中的作用更加突出，可以突破實驗時間和設備的限制，除了完成簡單理論的驗證問題外，也可以針對復雜實際工程問題進行仿真驗證，以提高學生實際動手的能力。

2.2 實例舉證

這部分以自動控制系統校正實例說明Matlab仿真軟件在本課程理論和實驗教學中的應用。例：單位負反饋系統的前向通道傳遞函數為，設計校正環節使系統的相角裕度大于45°，截止頻率大于50rad/s。

本例題涵蓋了系統穩定性分析、系統動態性能計算、系統設計等知識點。在學習中，學生需要利用相應的理論知識對系統進行分析和設計，之后利用Matlab 軟件可以對理論分析和設計的結果進行驗證，如圖1 所示。

圖1 校正前系統的單位階躍響應曲線

根據以上分析出，原系統穩定，但其動態性能不符合要求，需要通過加入校正環節進行系統校正。

（2）系統設計

為使系統符合性能指標要求，進行超前校正，如圖2 所示。

圖2 校正后系統的單位階躍響應

根據上述驗證結果，可以得出，通過加入超前校正網絡，系統的動態性能達到要求。

3 結束語

將Matlab 引入到自動控制理論教學中，不僅可以提高課堂教學質量，還打破實驗課和理論課分開講授的界限，最大限度的提高學生的學習效率，以培養學生發現問題、解決問題和自主創新的能力。