自動控制理論課程教學(xué)改革的研究與實踐

孫麗穎 張 健 楊匯軍

遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 遼寧錦州 121001

自動控制理論課程教學(xué)改革的研究與實踐

孫麗穎 張 健 楊匯軍

遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 遼寧錦州 121001

針對自動控制理論課程的特點與本科院校教學(xué)的現(xiàn)狀，圍繞培養(yǎng)“工程實踐”型人才培養(yǎng)模式，對該課程的教學(xué)改革進行了研究與嘗試。更新和優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，采用多媒體、啟發(fā)式教學(xué)、微課教學(xué)等不同的教學(xué)手段，強化培養(yǎng)工程實踐能力；同時增加實驗技能測試，引入工程中常用的控制對象，增強學(xué)生的感性認識。

教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法；MATLAB與微課教學(xué)；實驗技能測試

自動控制理論是研究自動控制系統(tǒng)的基本理論與方法，為我院重要的一門技術(shù)基礎(chǔ)必修課，也是其他電類、機電類專業(yè)的一門主干課程，理論性較強。其課程涉及數(shù)學(xué)、電子、機械等多門學(xué)科知識，并且與工程實際聯(lián)系緊密。課程主要研究如何建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)的時域和頻域分析方法以及為改善系統(tǒng)性能的控制系統(tǒng)設(shè)計與綜合等內(nèi)容。隨著控制理論的發(fā)展和計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，新的控制方法和控制手段也越來越多，如何適應(yīng)這方面的變化以及企業(yè)人才培養(yǎng)需求，我們從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、題庫建設(shè)以及考核方法等幾方面進行改革與實踐。

1 更新和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

結(jié)合我校自動化專業(yè)、電氣工程及其自動化以及測控技術(shù)與儀器專業(yè)的本科教學(xué)需要，以系統(tǒng)分析設(shè)計為主線，以培養(yǎng)工程實踐能力為目標，課題組教師研究一系列新的課程教學(xué)大綱、實驗大綱和考核大綱，更新和優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容。

在理論教學(xué)內(nèi)容上，以系統(tǒng)建模、線性系統(tǒng)的時域與頻域分析、線性系統(tǒng)的綜合設(shè)計為主線，淡化理論推導(dǎo)，適當?shù)叵魅鯌?yīng)用較少的根軌跡部分內(nèi)容的學(xué)時，強化工程應(yīng)用，突出基本內(nèi)容教學(xué)的同時，適當增加包括PID控制器在內(nèi)的系統(tǒng)設(shè)計的有關(guān)內(nèi)容；針對各專業(yè)對該課程內(nèi)容的需求，對離散系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)作了部分調(diào)整，我校自動化專業(yè)依然保留了這兩部分內(nèi)容，而電氣工程及其自動化和測控技術(shù)與儀器專業(yè)刪減了部分內(nèi)容。這樣對側(cè)重于自動控制的學(xué)生能夠保證樹立一個完整的控制理論體系，而對于其他兩個專業(yè)的學(xué)生，講清基本概念，重點是理清思路、了解方法、增強系統(tǒng)性，以備后續(xù)課所需或進一步學(xué)習(xí)之用。

協(xié)調(diào)經(jīng)典與現(xiàn)代控制理論、經(jīng)典控制理論與其他相關(guān)專業(yè)課程內(nèi)容的關(guān)系，適時地把一些新內(nèi)容、新的教學(xué)研究成果、新的工程應(yīng)用實例融合到理論教學(xué)內(nèi)容中，以保證課程內(nèi)容基礎(chǔ)性與先進性相結(jié)合，并突出工程實踐能力培養(yǎng)。例如，在數(shù)學(xué)建模時，結(jié)合電氣專業(yè)發(fā)電機-電動機組建立以電機轉(zhuǎn)速為輸出，以干擾力矩為輸入的數(shù)學(xué)模型。在講系統(tǒng)分析與設(shè)計時，結(jié)合測控專業(yè)溫度對象的PID調(diào)節(jié)，講解時針對實際對象精度的控制要求，設(shè)計串聯(lián)滯后超前校正裝置，設(shè)計校正網(wǎng)絡(luò)的電路參數(shù)。這樣讓學(xué)生既理解了理論知識又熟悉了理論內(nèi)容的實踐應(yīng)用。

在實驗教學(xué)內(nèi)容上，以往的實驗教學(xué)內(nèi)容大多是驗證性實驗，內(nèi)容陳舊，不利于學(xué)生創(chuàng)新思維及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因而，在驗證性實驗的基礎(chǔ)上，綜合考慮知識的難點和重點，增加設(shè)計性和綜合性實驗。為此,建立分層次的實驗體系，即課內(nèi)實驗內(nèi)容分為基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗3個層次，學(xué)時按3:3:4分配。同時增加教學(xué)學(xué)時外的創(chuàng)新性開放實驗課題，以工程應(yīng)用案例為主，引導(dǎo)學(xué)生獨立分析實驗任務(wù)、設(shè)計實驗新方案、整理分析實驗結(jié)果，鍛煉了學(xué)生的實驗與創(chuàng)新能力，以全面提高學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力、知識綜合能力、創(chuàng)新設(shè)計能力。

實際運作中，針對理論教學(xué)中一階系統(tǒng)或者慣性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)分析，并結(jié)合我校過程控制實驗室中的單容水箱對象，建立一個帶有容量滯后的一階對象數(shù)學(xué)模型，可設(shè)置為創(chuàng)新實驗，實驗要求學(xué)生做以下幾方面工作：一是根據(jù)實驗裝置的組成，搭建液位開環(huán)控制系統(tǒng)；二是能設(shè)置輸入信號，通過調(diào)節(jié)器和閥門施加控制水箱對象的進水量；三是通過組態(tài)軟件觀察該對象的輸出曲線；四是根據(jù)輸出曲線，測試相關(guān)參數(shù)，得到一階對象的數(shù)學(xué)模型。這樣可以讓學(xué)生在實驗中感受數(shù)學(xué)模型的實際意義以及建立的方法。

2 采用豐富的教學(xué)手段

自動控制理論對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)具有一定的要求，基礎(chǔ)差的學(xué)生在學(xué)習(xí)中會感到有一定的困難，從而產(chǎn)生畏難情緒，如何改革教學(xué)手段，簡化學(xué)習(xí)過程是課程改革的關(guān)鍵。

第一，采用多媒體技術(shù)。自動控制理論課堂教學(xué)過程中，板書教學(xué)盡管有些枯燥還是有一定優(yōu)勢，因此采用多媒體教學(xué)與板書教學(xué)相結(jié)合的方式。在教學(xué)過程中，有選擇地增加部分多媒體課件，嘗試增加課堂實踐內(nèi)容，將其與傳統(tǒng)教學(xué)手段相結(jié)合，使學(xué)生在課堂中，體會各部分內(nèi)容的實際應(yīng)用場合與意義，彌補枯燥理論的索然無味，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂的教學(xué)質(zhì)量。例如，在講述建立控制系統(tǒng)某一對象的數(shù)學(xué)模型時，把實際的溫度、液位、壓力等自動控制系統(tǒng)以課件形式給出，然后結(jié)合工藝過程，說明對象的輸入、輸出變量、可能存在的干擾，分析原理，然后建立微分方程，最后給出傳遞函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，這樣學(xué)生可以輕松地接受所講內(nèi)容，課程難易指數(shù)大大降低。課件可以分別設(shè)置在時域階躍響應(yīng)分析、穩(wěn)定性分析、穩(wěn)態(tài)誤差分析、根軌跡分析、頻率特性分析以及系統(tǒng)設(shè)計等相關(guān)內(nèi)容。

第二，采用預(yù)留作業(yè)的啟發(fā)式教學(xué)方法，適時開展課堂討論，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。根據(jù)每個章節(jié)的具體情況，靈活采用多種不同的教學(xué)方式與手段，引導(dǎo)學(xué)生開拓思維，激發(fā)學(xué)生的潛能。如控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能指標分析是時域分析、根軌跡分析與頻域分析的共性內(nèi)容，可以在第一章講解系統(tǒng)的控制要求時，說明穩(wěn)定性分析的重要性和性能指標評價方法，并預(yù)留思考問題，讓學(xué)生帶著問題學(xué)習(xí)各章內(nèi)容，并在每章都進行歸納總結(jié)，最后在課程結(jié)課后，提交大作業(yè)：要求以一個典型的實際系統(tǒng)為例，采用不同的方法對比分析其穩(wěn)定性以及性能指標。通過總結(jié)提煉，融會貫通，使學(xué)生全面地理解了課程內(nèi)容，也降低了課程的難易指數(shù)，從而提高了教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。

第三，建立網(wǎng)絡(luò)平臺，推行微課教學(xué)。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)不受時間和地點的限制，可以有效地實現(xiàn)資源共享，而微課教學(xué)是一種新的靈活教學(xué)形式，依托于網(wǎng)絡(luò)，是課堂教學(xué)的有益補充。目前網(wǎng)絡(luò)非常發(fā)達，學(xué)生上網(wǎng)非常方便。把課程中一些重要的知識點和難點，結(jié)合MATLAB軟件演示功能，做成一個個小微課，供學(xué)生在課后自主利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)。例如，二階系統(tǒng)的時域階躍響應(yīng)分析中，研究阻尼系數(shù)的取值對階躍響應(yīng)的影響時，采用MATLAB軟件，編寫一段小程序，可得到系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，通過改變阻尼系數(shù)的設(shè)計參數(shù)，響應(yīng)曲線不同，可以很直觀地得到不同阻尼下的階躍響應(yīng)曲線，并把這部分內(nèi)容合理地制作成短小的微課。可制成微課的知識點包括：(1)系統(tǒng)開環(huán)控制與閉環(huán)控制的區(qū)別；(2)數(shù)學(xué)模型部分：電網(wǎng)絡(luò)和機械傳動系統(tǒng)建立模型，結(jié)構(gòu)圖化簡與梅遜公式等；(3)時域分析部分：不同時間常數(shù)下的一階系統(tǒng)響應(yīng)，二階系統(tǒng)不同阻尼系數(shù)對階躍響應(yīng)的影響，勞斯判據(jù)的應(yīng)用等；(4)根軌跡分析：增加零極點對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，零度與常規(guī)根軌跡的區(qū)別，參數(shù)根軌跡中參數(shù)變化對形狀的影響等；(5)頻域分析部分：如何由各個環(huán)節(jié)的伯德圖構(gòu)成系統(tǒng)的開環(huán)伯德圖，如何利用奈氏曲線判斷穩(wěn)定性等；(6)系統(tǒng)校正部分：校正前后的伯德圖對比等內(nèi)容。各微課短片傳至網(wǎng)絡(luò)平臺，并在平臺上設(shè)置互動留言板，通過網(wǎng)絡(luò)互動與微課教學(xué)，增強課外學(xué)習(xí)效果。

微課不失為課堂教學(xué)的靈活補充，將MATLAB仿真演示引入微課的短小教學(xué)中，增強了學(xué)生對抽象理論的感性認識，培養(yǎng)學(xué)生的興趣與實踐能力。

3 建立完善的試題庫

本課程從2010年，歷時5年建立了完善的的試題庫，已建成40套試題。首先制定了考試大綱，規(guī)定了各知識點的掌握程度，并說明了題型分類與比例。試題題型包括有填空題、選擇題、計算分析題、證明題、作圖題、簡答題等。試題難度分為：(1)基本題，反映教學(xué)的基本內(nèi)容和基本要求；(2)中等難度題，是稍有變化的基本題；(3)難題，具有一定的綜合性、復(fù)雜性和靈活性。在考核大綱中明確規(guī)定了理論考核內(nèi)容，并規(guī)定了試題難度所占比例，其中基本題占15%～30%，中等難度占40%～60%，難題或提高題占15%～30%。

課程考試中依據(jù)抽題規(guī)則，初步實現(xiàn)了考教分離。 試題庫運行中，每年根據(jù)授課對象的學(xué)習(xí)與答題情況，課題組教師不斷研討與調(diào)研，同時參照每年收集到的試題素材，包括考研各高校的試題以及相關(guān)資料，不斷豐富試題庫。從開始制定試題庫，保證了每年至少增加并更新五套試題，預(yù)計建成試題庫50套。

在近幾年的教學(xué)中，由于試題庫的建成，激勵了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，學(xué)生已形成了自己熟悉大綱并按知識點學(xué)習(xí)的風(fēng)氣，實施效果較好。

4 增加實驗技能測試 強化實驗教學(xué)

自動控制理論以教學(xué)理論教學(xué)為主，實驗教學(xué)有效增加學(xué)生對工程實際應(yīng)用的認識，因襲增加實驗技能測試，以強化實驗教學(xué)。

實驗技能測試主要針對實驗環(huán)節(jié)考核，實驗項目主要有典型環(huán)節(jié)的模擬研究、二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分析、頻率特性測試以及控制系統(tǒng)校正設(shè)計4個項目。根據(jù)實驗項目的配置，設(shè)置實驗測試題庫，設(shè)置試題的難度系數(shù)，特別是在試題中引入工程實際對象數(shù)學(xué)模型，題目分別來自典型環(huán)節(jié)的模擬研究、二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分析、工程對象頻率特性的測試三方面內(nèi)容。學(xué)生的最終實驗技能測試成績由測試成績乘以難度系數(shù)構(gòu)成，由此增加了對實驗動手操作能力的考核以及靈活應(yīng)變能力的考核。

4.1 考試命題與成績評定

實驗技能測試考核中，設(shè)置試題40套，采用A，B，C三類試題；其中A類試題18套，B類16套，C類6套；難度系數(shù)分別為1.0，0.9，0.8。在實驗技能測試中，時間為50分鐘，每個學(xué)生實際操作時間為40分鐘，最后10分鐘監(jiān)考教師驗收。

成績按四方面考核：理論分析與電路參數(shù)設(shè)計(30 分)；實驗電路接線(40分)；運行結(jié)果分析(20分)；回答實驗中有關(guān)的問題(10分)。

4.2 技能測試實施

在實驗技能測試中，根據(jù)學(xué)生的實踐動手能力存在的差異，由學(xué)生自主抽取難易不等的試題，這樣可以更好地評價學(xué)生的綜合能力。所有試題均為設(shè)計性題目，由學(xué)生自行設(shè)計電路，選擇元器件及參數(shù)。

補考中采取學(xué)生選取試題難易等級，教師指定題目，避免與正考試題相同；A類補考同學(xué)最高成績80分，B類補考同學(xué)最高稱績70分，C類補考同學(xué)最高成績?yōu)?0分。

5 實施效果

自2004年以來，我校自動控制理論課程作為省級精品課，先后對自動控制理論課程的理論授課教學(xué)方法、教學(xué)手段、題庫建設(shè)以及實驗考核等方面進行了改革和嘗試，使該課程教學(xué)從課堂教學(xué)、實驗教學(xué)以及學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣等方面都取得較好的效果。授課課堂學(xué)習(xí)氣氛明顯好轉(zhuǎn)，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性提高，學(xué)生能積極主動查閱資料，課后及時提問，學(xué)習(xí)的氛圍明顯好轉(zhuǎn)；學(xué)生從課堂授課以及實驗教學(xué)中都盡可能聯(lián)系實際，熟悉工程應(yīng)用，并通過網(wǎng)絡(luò)平臺解決一些重要知識點和難點，使理論學(xué)習(xí)變得輕松；大多數(shù)同學(xué)平時認識到實驗課的重要性，都能主動熟悉實驗設(shè)備，了解實驗原理，加深了學(xué)生的感性認識，提高了絕大多數(shù)學(xué)生的工程實踐能力。

在今后該課程的教學(xué)中還需不斷探索新的思路、新的教學(xué)方法與手段，以培養(yǎng)出滿足企業(yè)需求的工程應(yīng)用型人才。

[1]胡壽松.自動控制原理[M].北京:高等教育出版社,2004.

[2] 陳麗換.鞠全勇.應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式下《自動控制原理》課程教學(xué)改革[J].中國電力教育,2009(9):74-75.

[3] 李振龍,喬俊飛.自動控制原理課堂體系結(jié)構(gòu)和教學(xué)方法探討[J].教學(xué)研究,2009(3):66-68.

[4]張新榮.《自動控制原理》理論課程教學(xué)改革與實踐[J].教苑漫談,2009(10):275.

[5] 楊婕,程麗平.應(yīng)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.

[6] 鄧莉.MATLAB在自動控制理論教學(xué)中的應(yīng)用[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報,2004(8):414-416.

[7]馬玉龍,何鳳.自動控制理論與Matlab軟件相結(jié)合的教學(xué)研究[J].中國現(xiàn)代裝備,2015(5):113-115.

[8]付主木,高愛云.《自動控制理論》實踐教學(xué)的研究與探索.實驗科學(xué)與技術(shù)[J].2012(12):101-103.

Research and Practice on the Reform of Automatic Control Theory Course Teaching

Sun Liying, Zhang Jian, Yang Huijun

College of Electrical Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou, 121001, China

For the characteristics of Automatic Control Theory course and the current situation of teaching and Universities, around training engineering practices talent training mode, the course teaching reforming is researched and tried in this paper. Update and optimize the teaching content, adopt different teaching methods, such as using media, heuristic teaching, micro teaching, etc., to strengthen the culture of engineering practice ability; while increasing experimental skills test, the introduction of project control objects commonly used, to enhance students' perceptions.

teaching content; teaching methods; MATLAB and micro teaching; experimental skills test

2016-04-18

孫麗穎，博士，教授。

遼寧省本科教改項目“應(yīng)用型本科院校電氣類專業(yè)實踐教學(xué)體系構(gòu)建的研究與實踐”。