基于工程應(yīng)用能力培養(yǎng)的“自動控制原理”教學(xué)改革研究*

宋雪玲　　宋哲英　　劉朝英

（1、河北科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 石家莊 050018　2、河北科技大學(xué) 理工學(xué)院，河北 石家莊 050018）

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基于工程應(yīng)用能力培養(yǎng)的“自動控制原理”教學(xué)改革研究*

宋雪玲1宋哲英1劉朝英2

（1、河北科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 石家莊 0500182、河北科技大學(xué) 理工學(xué)院，河北 石家莊 050018）

摘要：針對“自動控制原理”目前教學(xué)過程中存在的問題，結(jié)合工程應(yīng)用能力培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，從專業(yè)課程體系、教學(xué)理念及教學(xué)內(nèi)容改革、實踐環(huán)節(jié)建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)等方面對課程具體改革方法、步驟進行了分析總結(jié)，實現(xiàn)了從理論教學(xué)到工程應(yīng)用能力培養(yǎng)的改革目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：自動控制原理；工程應(yīng)用能力；教學(xué)改革

“自動控制原理”是控制類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是本科階段學(xué)習(xí)的核心課程，也是控制類研究生的入學(xué)考試課，在專業(yè)理論體系中占據(jù)重要位置，對后續(xù)課程的學(xué)習(xí)起到統(tǒng)領(lǐng)的作用，是所有自動控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，既具有科學(xué)理論的基礎(chǔ)意義又對工程技術(shù)具有實踐指導(dǎo)作用，是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)，激發(fā)提高學(xué)生分析、解決工程問題的能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是今后專業(yè)領(lǐng)域發(fā)展的基礎(chǔ)。

“自動控制原理”課程理論性強、內(nèi)容豐富、數(shù)學(xué)推導(dǎo)和計算量大［1］。主要包括控制系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析和控制器設(shè)計三大部分，各部分均需要大量的運算和畫圖。授課過程中，沒有以工程應(yīng)用為理念的精心的教學(xué)設(shè)計，要想達到工程能力培養(yǎng)的目標(biāo)是很困難的。在講這門課時，很多學(xué)生將它等同于了高等數(shù)學(xué)類的課程的學(xué)習(xí)，存在很大的誤區(qū)。另外由于教學(xué)學(xué)時的壓縮，如何在較短時間內(nèi)讓學(xué)生掌握好基本的分析設(shè)計方法，提升工程應(yīng)用能力也是目前“自動控制原理”教學(xué)改革中要面臨的一項難題。以工程教育為理念，構(gòu)建科學(xué)合理培養(yǎng)方案的重要任務(wù)是實現(xiàn)從科學(xué)知識型向科學(xué)知識實用技能型的轉(zhuǎn)變，通過長期的教學(xué)實踐，為達到工程應(yīng)用能力培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，從以下方面進行教學(xué)設(shè)計與探索。

一、專業(yè)課程體系理念融入自動控制原理課程

“自動控制原理”是控制類專業(yè)的核心課程，后續(xù)的很多專業(yè)課可以看做是自動控制系統(tǒng)中的一個個組成部分，因此要注意各個課程之間內(nèi)容的相互聯(lián)系，比如在授課過程中不能單單介紹自動控制中的理論，還要將后續(xù)相關(guān)的課程在該控制系統(tǒng)中的作用說明清楚，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)自控時就建立起專業(yè)課程群的概念，明白各門課程之間不是獨立的，他們都是控制系統(tǒng)中的一部分［2］。例如，在講授數(shù)學(xué)模型時要說明后續(xù)課程中“電機學(xué)”就是研究電機的數(shù)學(xué)模型的這一概念；負反饋控制系統(tǒng)中的反饋環(huán)節(jié)對應(yīng)“檢測技術(shù)”這門課，主要實現(xiàn)系統(tǒng)的被控參數(shù)的檢測，將非電量信號變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電信號；控制器在具體實現(xiàn)時要應(yīng)用“單片機”、“PLC”等課程知識，是控制系統(tǒng)的“大腦”；執(zhí)行裝置對應(yīng)“電力電子”、“過程控制”中的調(diào)節(jié)閥等，將控制量轉(zhuǎn)換為具體的流量或電壓的變化，來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被控參數(shù)。這樣在學(xué)的過程中不僅將自動控制系統(tǒng)，同時將整個專業(yè)課程形成一個整體，加深學(xué)生對專業(yè)的理解。

二、教學(xué)理念及教學(xué)內(nèi)容的改革

自動控制最終要服務(wù)于工程、應(yīng)用于工程，在教學(xué)理念上應(yīng)從工程的角度來重新梳理教學(xué)內(nèi)容。由于該課程是學(xué)生初次接觸工程系統(tǒng)，還沒有基本的概念，要想串好系統(tǒng)建模、分析、設(shè)計這條主線，在進行教學(xué)設(shè)計時，要將基本理論和工程應(yīng)用相結(jié)合，從工程角度來介紹每部分的作用和聯(lián)系，充分利用MATLAB軟件的強大計算功能，避免復(fù)雜的推導(dǎo)計算，強調(diào)各部分的工程含義。各教學(xué)部分具體設(shè)計如下：

（一）系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型部分

現(xiàn)有的《自動控制原理》教材版本很多，但共同的問題是缺少學(xué)生容易認知的主線，建模部分和系統(tǒng)分析部分的模型沒有連續(xù)性和針對性，各部分各自為政，學(xué)生不好理解。比如講模型時很多版本以電機的模型作為被控對象模型，但《電機學(xué)》課程還沒開，講多了自控的課時不夠，而且也不是本課程的重點，講少了，學(xué)生覺得疑惑，覺得自控書看不懂。為此在教學(xué)設(shè)計上可以選擇常見的溫度控制系統(tǒng)、液位控制系統(tǒng)等作為研究目標(biāo)，從建模入手說明模型對系統(tǒng)分析的重要性，將抽象的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，應(yīng)用到具體問題的解決中來，增強學(xué)生對模型這一數(shù)學(xué)基礎(chǔ)應(yīng)用的直觀認知，從這些常見的控制系統(tǒng)設(shè)計中激發(fā)學(xué)生對控制的興趣和理解。例如在教學(xué)設(shè)計中我們選擇了貼近生活的液位系統(tǒng)控制的水箱作為對象進行建模研究［3］。液位系統(tǒng)不僅常見而且該系統(tǒng)若研究單容水箱控制則屬于一階被控對象，雙容水箱控制則屬于二階被控對象，均為控制系統(tǒng)中典型的研究對象，具有普遍性。

（二）系統(tǒng)分析方法部分

建立了模型就要在模型的基礎(chǔ)上進行分析。系統(tǒng)的分析包括時域、根軌跡、頻域三種方法，每種方法都具有自身的特點，學(xué)生學(xué)完后普遍反映感覺內(nèi)容較多，聯(lián)系不起來。在講授這些分析方法時，每講完一種，再以前面提到的液位模型的閉環(huán)比例控制作為典型系統(tǒng)對象，進行有關(guān)章節(jié)內(nèi)容的系統(tǒng)分析和總結(jié)應(yīng)用，幫助學(xué)生理解所講的響應(yīng)曲線、根軌跡圖、頻率特性圖與系統(tǒng)真實運行情況之間的直接聯(lián)系，各方法之間的分析側(cè)重點及相互之間的互補與優(yōu)勢。系統(tǒng)的分析需要綜合運用所學(xué)過的方法，避免把所學(xué)過的方法割裂開來，各自為政。

（三）系統(tǒng)設(shè)計部分

在分析的基礎(chǔ)上，就要進行系統(tǒng)設(shè)計以完善系統(tǒng)性能。設(shè)計是本課程的重點也是難點。設(shè)計包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和控制器的設(shè)計兩個方面，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計是指采用閉環(huán)、串級還是復(fù)合的校正方式；控制器的設(shè)計指采用具有超前、滯后還是滯后-超前的校正裝置的選擇問題，設(shè)計的方法可以采用根軌跡法、也可以采用頻率法。在這部分可聯(lián)系前面的比例控制單閉環(huán)系統(tǒng)性能的分析，說明單純比例控制存在的問題，綜合講過的方法，采用適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)，加入合適的控制算法，改善原有系統(tǒng)的性能。將理論與實際工程要求聯(lián)系起來從而實現(xiàn)從建模、分析再到控制系統(tǒng)設(shè)計的工程系統(tǒng)研究連貫性。另外，同一系統(tǒng)采用不同的方法進行分析與設(shè)計，將課程的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為工程設(shè)計中的一個個環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握其內(nèi)在聯(lián)系及區(qū)別，系統(tǒng)地、多角度地看問題，加深學(xué)生對課程內(nèi)容及工程問題的理解。

三、實踐教學(xué)改革

實驗教學(xué)是重要的實踐環(huán)節(jié)之一，是培養(yǎng)具備科學(xué)創(chuàng)新能力的高素質(zhì)人才的重要途徑［4-5］。“自動控制原理”培養(yǎng)計劃中，必須為學(xué)生設(shè)計合理的實踐培養(yǎng)體系，從低到高、從基礎(chǔ)到前沿、從接授知識到綜合能力培養(yǎng)逐級提高，將傳授知識、培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)溶為一體。

基于上述思想，借助MATLAB作為平臺，改革原來的驗證性為主的實驗內(nèi)容增加設(shè)計性、綜合性實驗。在實踐環(huán)節(jié)，通過“基礎(chǔ)實驗”實驗幫助學(xué)生掌握運用現(xiàn)代軟件解決課程中復(fù)雜計算的能力，從而避開復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，在有限教學(xué)時間內(nèi)提高教學(xué)效果。再利用MATLAB提供的Simulink仿真平臺，以虛擬真實為特征不斷優(yōu)化實踐內(nèi)容，增加學(xué)習(xí)過程的趣味性，變被動學(xué)習(xí)為主動式獲取，更符合現(xiàn)代社會學(xué)生們的認知規(guī)律。在此基礎(chǔ)上又增加了課程設(shè)計環(huán)節(jié)，在課程設(shè)計中僅給出系統(tǒng)控制目標(biāo)及被控對象，具體如何實現(xiàn)該控制目標(biāo)學(xué)生可以自己發(fā)揮。充分調(diào)動學(xué)生自學(xué)和綜合運用理論知識的能力，進行系統(tǒng)理論分析和控制器設(shè)計。設(shè)計好后借助MATLAB軟件進行系統(tǒng)性能的驗證，檢驗設(shè)計的指標(biāo)是否真正符合要求，如存在差異還需分析原因，做到對系統(tǒng)研究的舉一反三。有了基本理論及MATLAB軟件的輔助設(shè)計，再以實驗室現(xiàn)有的液位過程控制實驗裝置為載體，最終回到工程實踐中，將理論、仿真的設(shè)計結(jié)果在實踐中進行驗證，分析理論與實際控制效果的差異，提高學(xué)生實際動手操作的工程實踐能力，實現(xiàn)從理論到仿真再到工程應(yīng)用能力的逐步提高。

四、發(fā)揮精品課優(yōu)勢，完善網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源

學(xué)時的壓縮、實踐環(huán)節(jié)的增加勢必造成理論教學(xué)過程的縮減，而且授課學(xué)生人數(shù)較多，我校通常為三個以上合班授課，單獨輔導(dǎo)時間較難保證。作為省級精品課，在前期建設(shè)的基礎(chǔ)上，我們將教學(xué)課件、課后作業(yè)的詳解、教案、授課錄像等資源上傳到校園網(wǎng)，方便學(xué)生自學(xué)或課下復(fù)習(xí)，彌補理論教學(xué)的不足，提高了課堂效率。另外通過建立QQ群，讓學(xué)生在出現(xiàn)疑問時可隨時解答，方便師生溝通，同時給學(xué)生提供“自動控制原理”國家級精品課的網(wǎng)站地址，方便報考外校研究生的學(xué)生有針對性地進行自學(xué)。

五、鼓勵學(xué)生參加科技競賽，以科研成果提升學(xué)習(xí)熱情

教學(xué)和科研是相輔相成的兩個方面，教學(xué)是科研的基礎(chǔ)，科研是教學(xué)的目標(biāo)，兩者不可分割。航模比賽、挑戰(zhàn)杯等一直是我校的優(yōu)勢，每年都有學(xué)生在比賽中獲獎。因此在教學(xué)中講授理論知識的同時，增加了一些與身邊的科研結(jié)合的內(nèi)容，讓學(xué)生看到利用所學(xué)知識，自己也能設(shè)計出自動循跡小車、航模飛行器等科研產(chǎn)品，鼓勵他們參加學(xué)院級、省級、國家級的電子大賽等項目，再將科研成果融入課堂教學(xué)，用身邊的實例調(diào)動學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)熱情，既培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，又增加了課堂教學(xué)的生動性和趣味性，教學(xué)科研雙促進。

六、結(jié)束語

在本次教學(xué)改革中，工程應(yīng)用能力是檢驗“自動控制原理”教學(xué)是否達到教學(xué)目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)。在教學(xué)過程中，經(jīng)過精心設(shè)計每一個環(huán)節(jié)，加深了學(xué)生對理論知識的理解，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，工程應(yīng)用能力明顯提高，實現(xiàn)了純理論教學(xué)到工程應(yīng)用型教學(xué)的過渡，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻

［1］隋金雪，華臻，等.《自動控制原理》課程教學(xué)改革與創(chuàng)新［A］第六屆全國高等學(xué)校電氣工程及自動化專業(yè)教學(xué)改革研討會論文集［C］.

［2］劉朝英，宋哲英，宋雪玲.基于MATLAB的控制類課程群改革［J］.電力電子學(xué)報，2009，31（S2）：37-40.

［3］李獻忠，孫為民，倪桂杰.高職高專《自動控制原理》教學(xué)改革與體會［J］.中國電力教育，2008（121）：100-101.

［4］xueling song，zheying song，chaoying liu.Teaching Reform of“AutomaticControlTheoryCoursefortheIndependent College Students”2010 international Conference on E-health Networking［J］.Digital Ecosystems and Technologies.

［5］宋哲英.改革實驗教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力［C］.2007年中國自動化教育學(xué)術(shù)年會，2007：642-644.

中圖分類號：G642

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：2096-000X（2016）14-0118-02

*基金項目：本論文為河北科技大學(xué)理工學(xué)院教育教學(xué)研究課題（編號：2011z09），在此向理工學(xué)院的支持表示感謝！

作者簡介：宋雪玲，女，河北高邑人，河北科技大學(xué)教授，碩士研究生學(xué)歷，主要從事工業(yè)過程智能控制方向的研究。

Abstract:According to the problems existing in the course of"Automatic Control Theory"teaching process at present，combining with the teaching goal of cultivating the ability of engineering application，this paper analyzes and summarizes concrete teaching reform measures and steps from the perspective of discipline curriculum system，teaching philosophy，teaching content reform，construction of practice ability and network resources.It achieves the reform goal of combining the theory teaching with the engineering ability training.

Keywords:automatic control theory；ability of engineering application；teaching reform