“自動控制原理”案例式教學改革實踐＊

張貞艷，林卿，劉美俠

（宿遷學院機電工程學院，江蘇宿遷 223800）

“自動控制原理”是宿遷學院機電工程學院自動化專業(yè)必修的專業(yè)基礎課。隨著科技的飛速發(fā)展，自動化技術愈發(fā)重要。作為自動化的核心課程，“自動控制原理”作用巨大。如何讓學生利用有限的學時掌握扎實的基礎理論，并能靈活應用于工程實踐中，解決工程難題，是課題組的授課目標。學校控制理論課題組積極響應教育部《關于開展新工科研究與實踐的通知》精神，不斷總結反思教學團隊在授課過程中普遍存在的問題，積極探索高等工程教育背景下“自動控制原理”的教學改革新思路，有效變革傳統(tǒng)授課模式和培養(yǎng)方法，形成了以“案例式”教學為主要特色的授課模式。

1 課程教學中存在的主要問題

“自動控制原理”面臨如下主要難題：①課程層面。“自動控制原理”是對控制系統(tǒng)進行數(shù)學抽象，在獲得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)基礎上，進行數(shù)學分析來研究實際系統(tǒng)特性的。內容繁多抽象，如不合理穿插代表性的工程案例，將難以體現(xiàn)課程的實踐提升作用。②學生層面。在智能手機普及的網(wǎng)絡時代，學生整體自我約束力不足，學習興趣低，課堂專注力差。穿插工程案例，有助于吸引學生的專注力，活躍課堂氣氛。③教師層面。照本宣科缺少案例的教學，其理論和實踐是脫節(jié)的，再多的引導啟發(fā)也體現(xiàn)不出課程的工程特色。對學校學生調研統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)的授課模式，即使在學完“自動控制原理”后，很多學生仍然茫然困惑，學而不知何用。

2 課程教學的改革措施

為解決以上難題，課題組把“案例式”教學引入“自動控制原理”課程中。具體措施如下。

精選“工程案例”，恰當穿插到課程體系中。例如，數(shù)學建模中引入大功率高性能摩托車減震器系統(tǒng)、水箱液位控制系統(tǒng)；時域分析法中引入電動輪椅的速度控制系統(tǒng)、噴氣式戰(zhàn)斗機的自動駕駛儀橫滾控制系統(tǒng)；根軌跡分析法中引入外科手術用激光操作控制系統(tǒng)；頻率特性法中引入單閉環(huán)有（無）靜差調速系統(tǒng)、醫(yī)學麻醉控制系統(tǒng)；系統(tǒng)校正中引入機器人控制系統(tǒng)、轉速電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)等。在理論教學中融入工程實踐，將工程性放在課程首位。

著力打造“自動控制原理”精品課程網(wǎng)絡教學平臺，形成課堂教學的有效擴充。將選定的工程教學案例，制作成電子課件、微視頻，將前沿的最優(yōu)控制、自適應控制和魯棒控制等工程應用的視頻資源上傳至精品課程網(wǎng)站。學生可根據(jù)課堂掌握情況，借助這一平臺觀看視頻，開闊視野，鞏固提升。

充分借助MATLAB 軟件仿真，課程中所有的教學案例都利用MATLAB 軟件進行了模擬仿真，這不但能加強學生對軟件的利用，還能彌補實驗設備上的不足，增加控制系統(tǒng)分析和設計上的說服力。

3 “案例式”教學實施舉例

恰當?shù)摹肮こ贪咐奔饶芗訌妼W生對理論知識的深入理解，又能使其對實際工程產生興趣，提高對課程的深入認知。下面以應用于外科手術的激光操作控制系統(tǒng)為例，闡述教學案例實施過程。

以微視頻的形式引出手術激光操作控制系統(tǒng)的應用背景。

介紹激光操作控制系統(tǒng)基本構成，定性分析各部分，提煉出系統(tǒng)控制框圖，如圖1 所示。

圖1 激光操作控制系統(tǒng)

提出手術對激光操作控制系統(tǒng)的具體要求：穩(wěn)定性好、穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)品質優(yōu)。

圖1 中系統(tǒng)中電機勵磁時間常數(shù)T1=0.1 s，機電時間常數(shù)T2=0.2 s；要求學生設計放大器增益Ka，使該控制系統(tǒng)在單位斜坡輸入r（t）=At（A=1 mm/s）時的穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1 mm。

從穩(wěn)、準、快三方面展開系統(tǒng)分析，求取系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)和閉環(huán)傳遞函數(shù)。

綜上Ka取10，可同時滿足穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差的要求。再次考慮系統(tǒng)動態(tài)品質，利用根軌跡分析法，先繪制Ka從0增長到∞時的根軌跡，如圖2 所示。

圖2 激光操作控制系統(tǒng)根軌跡

該系統(tǒng)有3 條根軌跡，對應圖2 中①②③三條曲線，起始于開環(huán)極點，終止于無窮遠處。

單位階躍指令下，原系統(tǒng)的動態(tài)性能指標近似為：

仿真驗證。借助MATLAB 仿真，得原三階系統(tǒng)、近似二階系統(tǒng)的單位階躍、單位斜坡響應分別如圖3～圖6 所示。

圖3 原三階系統(tǒng)單位階躍響應

圖4 原三階系統(tǒng)單位斜坡響應

圖5 近似二階系統(tǒng)的單位階躍響應

圖6 近似二階系統(tǒng)的單位斜坡響應

由圖3、圖5 可知，在階躍輸入下，激光操作控制系統(tǒng)雖最終能穩(wěn)定，但其響應高度震蕩，動態(tài)品質很差。這說明在外科手術中，不能采用階躍信號作為指令信號。圖4、圖6 驗證了外科手術選用低速斜坡信號作為指令信號，動態(tài)品質好。對比原系統(tǒng)和近似系統(tǒng)仿真結果，不難發(fā)現(xiàn)二者具有基本相同的輸出響應。這進一步幫助學生加深了主導極點的概念，鞏固了根據(jù)近似低階系統(tǒng)估算高階系統(tǒng)性能指標的方法。

4 結論

課題組分析了“自動控制原理”課程面臨的主要問題，給出了“案例式”教學改革措施，舉例論述了“案例式”教學設計。經(jīng)過線上線下反復教學實踐證明，“案例式”教學有效提升了課堂效果，提升了學生的專業(yè)興趣和工程實踐能力。