“自動控制系統”課程的教學研究與探索

聞 凱，王 恒，朱海霞，王志凌

（南京航空航天大學 金城學院，江蘇 南京 211156）

“自動控制系統”課程的教學研究與探索

聞 凱，王 恒，朱海霞，王志凌

（南京航空航天大學 金城學院，江蘇 南京 211156）

針對應用型本科自動化專業人才的培養，對“自動控制系統”課程的教學內容和方法進行探索和研究，加強控制系統設計實例分析。教學效果表明，實踐應用是學生理解掌握知識的基礎，是提高學生自主創新和思維能力的關鍵所在。

自動控制系統；教學研究；課程實踐

一個自動控制系統的設計過程，包括圖1所示的每一個知識領域：對象與建模環節、執行與驅動環節、信息傳輸與處理環節、控制器設計環節。其中，自動化專業的核心即為控制與設計。面對各種各樣錯綜復雜的系統，控制對象可能是確定的，也可能是隨機的；控制方法可能是常規的，也可能需要優化設計。這樣的學科專業教師應具有什么樣的知識結構，學生具有什么樣的專業背景，這正是教師“教”與學生“學”的過程中的難點所在。

“自動控制系統”作為自動化專業學生的必修課程，該課程的特點是：綜合應用性廣泛，理論知識面豐富，與實踐環節聯系緊密。在學生了解控制原理的基礎之上，接觸控制系統集成的概念，實現硬件和軟件的綜合、元件與系統的綜合，真正進入“應用與實踐”相結合的學習模式。針對應用型本科人才的培養定位，本文對“自動控制系統”課程的結構體系、內容方法和教學效果上作一些探討和研究。

圖1 典型控制系統結構

一、第一堂課：興趣入門

“自動控制系統”的先修課程包括“自動控制原理”、“現代控制理論”、“電子技術”等，都是難度較大、理論性較強的抽象性思維課程，部分學生在學習的時候只能對一些公式、定理死記硬背，機械地應付考試，以至于重要的知識點學完就忘，考完就丟，根本就沒有達到理解和掌握的程度。

為了提高學生學習的積極性和主動性，在課程設置的第一堂課就別出心裁，帶領學生進入實驗室參觀學習，讓學生最先接觸到的是具體的控制系統，而非理論概念。學生在對控制過程有了直觀印象之后，就會產生進一步深入了解的興趣，通過探究的方式提出自己的問題：先前學習的控制原理應用在哪些方面，即將學習的控制系統又是如何來分析和設計的。在之后的課程學習中，學生帶著這樣的問題會尋求答案，并互相之間進行交流和討論。教師也在教學的過程中，鼓勵學生的自主探究，并根據不同的知識點拋出新的問題，形成控制理論中典型的循環反饋結構。在第一堂課，通過已知帶動未知，抓住學生的好奇心，尋找合適的切入點，將學生引入自動控制領域的興趣之門[1]。

二、課內教學：因材施教

應用型本科教育的培養模式，決定了教學必須以“應用、實踐”為主，以“應用知識能力”作為培養學生成才的核心。“自動控制系統”的課內教學包括三個部分：56個學時的理論授課，8學時的課內實驗，以及1周的課程設計。在基礎理論教授的同時，通過建立幾個貫穿整個課程體系的工程實例，來加深學生對概念的理解，把前后所學的專業知識融合起來，形成對系統的認知、分析和設計的過程。

（一）教學內容的精選

“自動控制系統”的主要內容就在于研究系統的特性，即穩態性能和動態性能，根據給出性能指標運用多種方法來設計相應的控制器，得到良好的輸出響應。教師在講課過程中，不僅僅要把基本原理和基本方法講清楚、教明白，讓學生理解“控制”的概念，還要把每一章節的內容通過具體的工程實例，生動地展現出理論的應用價值。

學院自動控制系統實驗室的教學設備包括如下幾套裝置：倒立擺控制系統、磁懸浮控制系統、球桿控制系統、數字隨動控制系統和小型水箱過程控制系統，自動化專業所學的理論知識都能在這些實驗裝置上集中體現。就以球桿系統為例，該系統是自動控制學習中的經典實驗教學設備，是一個典型的開環、非線性不穩定系統，它的許多特性都是控制領域的熱點問題。它的非線性主要體現在電機圓形轉子和橫桿角度的傳動關系上，它的不穩定性主要體現在球桿的角度和小球位置的控制上。其對于控制理論學科來講，是一個非常適于基礎實驗和開發研究的教學平臺[2]。

圖2 球桿系統原理

利用球桿的“物理特性”建立系統的數學模型，如圖2所示，即描述出被控對象的微分方程或傳遞函數，其中包括將非線性模型進行線性化，建立狀態空間表達式的過程。其次，定義小球位置為輸出量、齒輪角度為輸入量，分析在不加任何控制環節時球桿系統的階躍響應，得出其開環不穩定性。最后設計多種控制器：PID控制器、根軌跡控制器、頻率響應控制器的控制效果，選擇最優控制算法。通過這樣的系統實例解析，讓學生掌握分析問題和解決問題的能力。

（二）教學模式的發展

“自動控制系統”的實踐性較強，教師在課堂教學時也以自動化工程師角度對學生授課，真正實現“雙師型”教育。教學的模式也在逐步發展，從以往簡單的教與學，發展到現在多種模式并存。除上文提到的探究式教學、案例式教學外，還可采用討論式、對比式等方法，充分發揮學生的主觀能動性，挖掘學生自身的學習意識[3]。

在授課過程中將多媒體技術的形象性、板書推導的條理性與教師講解的系統性有機結合起來[4]。在近年的教學中發現，雖然使用多媒體課件教學能大大增加課程信息量，但正是由于信息量巨大，反而會使得部分學生在學習時充滿迷惑，不知道哪部分內容為重點，覺得知識點過多而無法全部掌握。因此，板書的推導決不能忽視，將一些重要定理及公式推導在板書上復現，能夠加深學生對重點內容的記憶，形成一個主次分明，結構完整的知識體系。當然這對教師則提出了更高的要求，脫稿的板書書寫并對內容做實時解析，讓學生受益匪淺。

（三）教學實踐的加強

教學實踐對于整個教學體系而言，是非常重要的組成部分，在重點培養學生獨立解決問題能力和創新意識能力的現代教學，動手操作環節所占的比重越來越大。如何將一個控制系統“動起來”，所涉及范圍較為廣泛，還包括其他課程，如計算機技術和電子技術等，實踐教學將這些課程合為一個系統，展現在學生面前，使學生加深對課程甚至自動化專業的理解。

MATLAB仿真軟件作為先修課程單獨授課，學生們對此已經比較熟悉，對控制系統的仿真驗證可以作為課內輔助教學來增加課堂的趣味性和定理的可信度，也是實踐操作環節的重要一步[5]。以磁懸浮控制系統為例，在建立控制系統的數學模型之后，可以設計較為復雜的模糊PID控制器，通過MATLAB進行仿真驗證（如圖3），最后在實際控制系統上調試實現穩定懸浮。

圖3 模糊PID控制器結構

三、課外拓展：學以致用

“自動控制系統”的學習不僅僅局限于課內教學，也應積極拓展課外訓練，學以致用，加強學生的科研創新能力。如指導學生完成創新項目“倒立擺系統的遠程控制設計”，開發遠程控制平臺，實現校園內的網絡實驗和實時監控，大大提高了教學儀器裝置的利用率。組織部分優秀學生加入創新團隊，以現有控制系統為基礎，研發環形倒立擺裝置，獲得全國大學生電子設計競賽的優異成績。

四、總結

專業知識的學習并不以考試合格作為最終目標，而是以實踐應用作為理解掌握的基礎。對“自動控制系統”課程進行教學研究和探索，不僅僅是對課程本身進行優化和提煉，更重要的是在為培養高等技術應用型人才而努力。

[1]唐超穎，姜斌.“自動控制原理”課程的探究性教學實踐[J].電氣電子教學學報，2007，29（6）：91-93.

[2]魏衡華.“系統與控制”實驗教學研究與建設[J].教育與現代化，2003，（3）：9-12.

[3]李振龍，喬俊飛，孫亮，等.自動控制原理課程體系結構和教學方法探討[J].教學研究，2009，32（2）：66-68.

[4]周立，趙凱，李煒，等.“自動控制原理”課程教學研究與改革[J].中國電力教育，2009，（20）：74-75.

[5]楊婕，程麗平，孫霞，等.應用型本科“自動控制原理”課程改革及實踐[J].中國電力教育，2010，（4）：111-112.

G642.0

A

1674-9324（2014）42-0171-02

本文系2013年南京航空航天大學金城學院教育教學改革研究項目（2013-Y-04）的部分研究成果。

聞凱（1983-），男，漢族，江蘇江陰，南京航空航天大學金城學院講師，主要從事自動控制系統、智能控制研究。