關于自動控制原理教學的幾點思考

趙環宇

[摘 要]自動控制原理是電氣信息類，尤其是自動化專業高年級本科生的專業基礎課。教師可以根據近幾年的自動控制原理教學經驗及學校該課程的教學特點，對自動控制原理的教學內容、教學方法、考核方式等方面進行相應改革。

[關鍵詞]自動控制原理；教學內容；考核方式

[中圖分類號] H319 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）12-0148-03

自動控制原理是電氣信息類，尤其是自動化專業高年級本科生的專業基礎課。該課程既包含深入的理論知識，又密切聯系實踐，具有很強的實踐性。這門課可以很好地指導學生的工程實踐，為學生以后從事自動化相關專業打下良好的基礎，還可以培養學生辯證的思維方法，提高學生綜合分析和解決問題的能力。[1][2]因此，教好這門課具有重要的理論和實踐意義。學校開設自動控制原理這門課已有多年歷史，而筆者從事自動控制原理的教學工作3年有余，現就本校該門課程的教學特點及筆者幾年的教學經驗，提出幾條淺薄建議。

一、教學內容的安排

自動控制原理的教材很多，我們主要使用胡壽松主編的《自動控制原理》第六版，一個學期48學時，其中理論40學時，實驗8個學時。由于只有40個理論學時，課堂主要講解第一章到第八章內容。

第一章和第二章是該課程的基礎部分。通常講解較慢，尤其是第二章控制系統的數學模型。第一章和第二章講完，在學生對這門課程的理論體系、整本書的結構安排有了足夠的了解后，再讓學生做好相關數學知識的復習工作，后面章節雖然有難度，但學生理解起來也會相對輕松。前兩章學生學好了，這門課就算入門了。

第三章是線性系統的時域分析法。本章是基礎且重要的一章，但由于學生已經具備了一、二階電路響應的知識，本章內容理解起來相對容易。幾個重要的時域指標，調節時間、峰值時間、延遲時間、最大超調量等要求學生熟練記住。一、二階系統較為直觀，容易掌握，對于高階系統沒有固定的類似于一、二階系統的解析方法，但可以利用Matlab軟件來計算分析，要求學生掌握借助Matlab這一軟件分析高階系統時間域響應的方法。本章另一重點就是系統的代數穩定性判據，即勞斯判據。

第四章是根軌跡法。根軌跡可以直觀地反映系統特征根的分布情況，但手工繪制精確根軌跡并非易事。本章主要要求學生掌握根軌跡的基本概念和繪制根軌跡的8條規則，以及如何利用Matlab來繪制根軌跡。

第五章是線性系統頻域分析法。頻域分析法主要通過Nyquist圖、Bode圖、Nichols曲線三種圖形給出了線性系統頻率特性的幾何表示方法，同時給出了線性系統穩定的頻率域判別方法。頻率域方法較為直觀，但Nyquist圖畫起來比較復雜，難以畫得準確；對于一些具有典型特征的系統，如含有慣性環節的系統就較為容易；對于含有多種不同環節的系統則不太容易畫出準確的圖形。這部分內容仍然應要求學生掌握基本概念、基本方法，會用基本方法解決較為簡單的題型。對于較為復雜的題型，則應掌握利用Matlab方法。Bode圖相對Nyquist圖能夠較為準確地繪制，所以適合進行系統的分析與設計。一般介紹在Bode圖上進行系統校正。Bode圖上雖也可以進行系統穩定性分析且看起來簡單，但對于稍微復雜的對象尤其是非最小相位系統來說比較復雜，學生難以準確掌握，這部分內容應該少講。Nichols曲線雖容易分析系統閉環頻率特性指標，但由于Nichols曲線的復雜性，現在應用較少，故自動控制原理中，Nichols曲線可不講。

第六章是線性系統的校正方法。本章內容為經典控制理論的核心內容之一。這一章將涉及控制理論的具體應用。系統校正方法較多，但目前課上主要介紹基于Bode圖的串聯校正，其余方法基本不作介紹。在有限的學時內應重點介紹串聯校正方法，包括超前校正、滯后校正、滯后超前校正。這三種串聯校正實質上分別對應PI，PD和PID調節器，在講授過程中要講清楚它們之間的聯系，以及各種校正方法的實現，它們各自所起的作用，何時該用何種校正方法。除此之外，應適當講解實際工程例子，讓學生切身體會到PID控制器在工程中的實際應用，也為學生后面從事控制理論研究打下良好的基礎。

第七章是離散時間控制系統。實際的控制系統大部分屬于離散時間控制系統。因此，離散時間控制系統這部分內容需要重點介紹。Z變換是處理本章內容的主要數學工具。講清楚如何由Laplace變換得到Z變換，講清楚二者之間的變換關系，便容易掌握Z變換。掌握了Z變換方法，再去講解差分方程及其求解方法就會容易很多。離散系統雖自成體系，尤其自身的一套分析方法，但與連續系統之間的聯系亦應適當介紹，這有助于學生利用已掌握的連續系統分析方法去相應地解決離散時間系統的相關問題。

第八章是非線性控制系統。在有限學時內，這部分內容主要介紹幾種典型的非線性因素，以及描述函數法。由于相平面法較為復雜，對學生數學基礎要求較高，這部分內容可供考研學生選學。

總之，在講授自動控制原理這門課程時，內容上應不時地作適當的優化，應根據實際情況，對于不同的專業方向，根據其特點和要求，分別進行不同側重點的內容安排。在學時允許的情況下，除了介紹基本概念和基本方法之外，還應結合習題、實物仿真和教師科研項目中的具體應用進行實際演練，使學生能夠真正掌握本課程的實質和應用。

二、教學方法改革

由于知識體系的變化及學生知識結構變化，在講授自動控制原理這門課時，教師的教學方法也應根據實際情況作適當調整，根據一些文獻所述及筆者體會，可以嘗試使用下面一些有別于傳統的教學方式。

（一）項目式教學方法

這種方法雖早有文獻報道，但實施起來有一定難度。對于現在學生的學習狀況，也難保證效果。文獻[3]中提到的項目式教學方法是基于工作過程的一種探究式教學方法，由教師將所要學習的新知識隱含在一個或幾個基于工作過程為導向的項目之中，讓學生通過自己對工作過程的項目進行分析、討論、明確工作過程的項目大體涉及哪些知識，在教師的指導和幫助下找出解決問題的方法，最后通過項目的完成而實現對所學知識的應用。用項目對能力進行反復實訓，課程教學實現一體化設計。如此，將實現與傳統教學方法不同的三個轉變，即以教師為中心轉變為以學生為中心，從以課本為中心轉變為以項目為中心，從以課堂為中心轉變為以工作過程為中心。這種方法在實施過程中，對學生進行分組還可以培養學生的團隊協作能力。在現在還是以考試為主要考核方式的情況下，這種方法可以作為一種輔助教學方法，在部分章節的教學中使用。比如，控制系統校正部分，這部分相對前面幾章較難，可以給學生布置一個工程背景較強的綜合應用題，讓學生分組去完成。這樣不僅可以調動學生的學習興趣，還可以讓學生把本課程核心內容掌握牢固。

（二）啟發—引導式課堂教學

這種方法主要從如何激發學生學習興趣，啟發學生提出問題、思考問題，引導學生如何解決問題入手，讓學生輕松愉快地掌握知識。[4]這樣學生不僅不會覺得理論知識枯燥無味，還會變得熱愛這門課程。比如，在講解自動控制裝置的時候，不同的教材有不同的例子。我們在講解時選用的是爐溫控制系統。自動控制系統的核心是反饋控制。如何讓學生理解反饋的含義至關重要。我們先給出一幅人工控制爐溫的圖，讓學生試著回答工作過程。然后，提出問題：如果將人所做的工作換成自動控制裝置，需要如何設計這個裝置？這個過程中可以提出反饋的機理。將自動控制爐溫控制原理圖給出來的時候，學生將自然明白反饋的基本原理。

（三）實驗教學

自動控制原理是一門有一定理論深度，又注重實踐的課程。實驗教學是學好這門課程不可缺少的一種教學方法。這門課程實驗主要包括在實驗箱上對一些典型環節進行模擬和Matlab仿真兩部分。目前本校實驗主要是對基本原理的驗證，即驗證性實驗。這類實驗本身對學生不具有吸引力，加之實驗設備容易損壞，經常不能順利完成實驗，明顯不利于培養學生的設計、創新和工程實踐能力。所以該門課程的實驗教學需要改革。除了基礎性驗證實驗之外，還應增加一些創新性實驗內容。如模擬PID閉環溫度控制系統的設計與實現、倒立擺的PID控制器設計與仿真、單回路液位自動控制系統設計與仿真等。另外，教師還可以指導學生上網查詢相關文獻，分組進行選擇創新實驗內容。這部分實驗不僅可以培養學生的學習興趣，也可以提高學生利用所學知識解決實際問題的能力。

Matlab軟件作為新型編程語言和可視化工具，有著其他軟件不能比擬的優勢。近年來許多教材都增加了Matlab軟件內容。教師在課時允許的情況下應盡量教會學生應用Matlab軟件解決自動控制原理中的典型問題。

三、考核方式的改革

自動控制原理是一門理論聯系實踐較強的一門課程，考核方式也應該多樣化，不能只有單一的期末理論考試。課程考核是教學的一個重要組成部分，采取什么樣的考核方式對學生的學習積極性和最終成績都將有直接的影響。[5][6]以往采取平時成績占30%，期末考試占70%的考核方式，教學效果并不理想。改革后將采取平時成績占15%、階段考試占30%、期末考試占45%、實驗占10%的考核方式。采取這種考核方式不僅能夠考核學生對基本概念、基本理論及其應用的掌握程度，還能提高學生學習興趣和積極性。此外，學生的動手能力也能夠得到很好的提高。平時成績主要包括作業和考勤。階段考試分兩次，每次總分50分，考試采取閉卷的形式，主要考查學生對基本概念和基本理論掌握程度。通過階段考試，學生將能夠記住相關的基礎知識。期末考試將主要考核學生基本理論的應用能力，改革后試卷中加大了系統設計方面的比例。學院建有試題庫，有20套試題。提高實驗成績比例，也有利于學生動手能力的提高，為學生今后從事自動化方面的研究工作打下良好的基礎。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 吳曉蓓.“自動控制原理”課程講授的幾個要點[J].中國大學教學，2005（9）.

[2] 徐穎秦，潘豐.自動控制原理立體化教學新體系的探索與實踐[J].電力系統及其自動化學報，2012（2）.

[3] 周樹道，王敏.項目式教學在自動控制原理課程教學中的應用[J].大學教育，2014（16）.

[4] 余純，季立貴，馮俊杰，韓文娟.“自動控制原理”課程教學研究與實踐[J].考試周刊，2014（96）.

[5] 周勇.自動控制原理考核改革探討[J].科技創新導報，2013（15）.

[6] 李界家，魏惠芳.改革自動控制原理考試方式提高學生素質[J].教改創新，2012（31）.

[責任編輯：劉鳳華]