自動控制理論課程教學體系探討

【摘 要】本文提出圍繞自動控制理論課程的基本教學目標，構筑適應教學目標、課程特色、教學現狀的內容體系，以期實現提高教學質量和提升學生工程應用能力的目標。

【關鍵詞】自動控制理論 教學體系 工程案例

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）07C-0068-02

自動控制理論課程具有理論性、實踐性和綜合性很強的特點，與前期、后續課程關系密切。就教學體系而言，總體沿用理論、實驗、工程實例的新格局，整合三者的關系。教學內容是保證教學質量的基本載體，本文提出根據專業服務面向、就業去向、就業崗位，以職業能力標準為依據，將職業崗位關鍵能力培養融入課程教學體系，體現控制理論在控制領域中的應用，從而扭轉自動控制理論課程教學困境。

一、對接其他課程，突出課程地位

自動控制理論作為控制類專業基礎課，具有承上啟下的作用。其前期課程主要包括：數學、物理學、電路分析、電子技術、電機與電力拖動，后續課程主要包括：傳感器檢測技術、過程控制技術、計算機控制技術、變頻器應用技術、PLC控制系統、集散控制系統（DCS）。為此，在課程教學內容布局上，強化它們的聯系。根據具體情況既可采用“蜻蜓點水”式的提示性關聯，如數學建模、校正中涉及較多的電子電路，PID閉環控制涉及傳感器、變頻器、PLC、DCS實際應用；也可結合工程案例全方位對接，使學生充分意識到該課程的重要性。

二、以基本概念、建模、分析和校正為主線，實現理實一體化

自動控制的基本概念主要包括專業術語、系統組成、控制原理，其核心圍繞控制系統、被控對象、控制器、執行機構、檢測、輸入、輸出、控制量、被控量、干擾、目標值、反饋、方框圖。概念是專業素養的基本支撐，但具有抽象、空洞的特點，不僅需要結合實例，講清講透，還要通過互動、自主學習的方式，讓學生自我領悟精髓。

自動控制系統建模是系統性能分析和綜合校正的基礎，圍繞建模的方法、模型的類型、模型的應用進行教學。其一，培養學生通過機理、實驗方法和共享成果的方式構建數學模型，形成系統性、規律性的數學關系式，利用數學工具進行嚴密分析、推理、定量計算的邏輯思維。其二，通過微分方程、傳遞函數、結構圖，不同模型類型可以相互轉換，說明各有所長、適用于不同的場合。其三，在適當保留傳統建模對象的基礎上，結合工程案例如直流電機調速系統、水箱液位控制系統相關設備及系統建模的完整鏈，實現點面、理論實際的有機結合。

系統的分析及綜合既要基于數學理論的經典代表，更應突出實際自動控制系統應用。采用自動控制理論相應的分析方法揭示系統的動態、靜態特性，圍繞系統穩、準、快的三個基本要求，采用時域分析法、頻域分析法的步驟和結論確定系統的控制性能。系統的綜合校正是由于系統的控制性能不能符合工藝質量要求，需要引入控制器。力求構建思路步驟，淡化數學論證推導，強化MATLAB應用和實驗環節，尤其工程案例中的分析和綜合具體應用。

三、重塑理論和實踐教學

該課程傳統上偏重理論，輕視實踐，學生總體感覺課程枯燥乏味、無用。而應用型本科和高等職業教育需要突出應用性、實踐性、職業性的原則，為此，打破以學科系統理論知識為主的課程體系，淡化理論教學，強化實踐教學。理論實踐課時比例由5∶1調整為1∶1，以實現理實一體化、項目教學法的根本轉變。為此，需要大力精簡、整合理論知識，遷移深化實踐教學，采用“全方位式”實踐教學。“全方位式”實踐教學既要繼承傳統的實驗平臺，又需要引入更為實用的企業工程案例，跨越校內外實訓平臺和師資力量。

理論教學中將基本概念、基本分析方法、基本結論作為理論支撐，不僅需要保留，還需要進一步強化；而對于拉氏變換運算定理、典型環節的階躍響應、框圖的等效變換、曲線作圖、無源校正網絡等內容實行刪減。

在系統的理論分析和校正基礎上，強化實踐教學，通過驗證性基礎實驗，滿足教學基本要求；通過設計性和綜合性實驗，提升創新意識；通過工程性應用，提升學生核心職業技能。為此，實踐教學主要圍繞兩個方面：其一，基于MATLAB仿真軟件平臺實現數學模型的相互轉換、時域分析響應求解、頻域分析曲線繪制、系統校正性能分析，借助軟件工具簡化理論推導計算，從而降低學習難度。其二，引入具有代表性的自動控制系統工程案例，基于控制理論核心分別實現數學建模、時域分析、頻域分析、系統校正性能分析，真正實現理論與實踐的有機結合，深刻體會理論的指導意義。

四、引入工程案例

自動控制理論對學生的定性分析能力、定量估算能力、綜合運用能力具有較高的要求，尤其結合專業技能的要求，需要培養分析問題、解決問題、綜合應用理論指導工程實際的應用能力。為此，通過引入工程案例和企業兼職教師，提升實踐應用能力，是整合課程內容的重點和特色；結合實驗室條件和實際應用典型性，引入簡單的單閉環水箱液位恒定控制和較復雜的多閉環直流電機調速控制系統兩個案例。

（一）水箱液位恒定控制

1.系統概況。單容水箱液位PID控制系統主要由水箱、手閥、傳感變送器、直流泵及PWM驅動器、PID調節器等設備組成。選用典型單回路控制系統，符合學生的特點和教學要求，涉及自動控制系統的有關概念、基本組成環節、系統的工作原理分析，實現理論與實踐的接軌。

2.系統的數學模型和MATLAB仿真分析。水箱數學模型屬于滯后的慣性環節：，由于t<

自動控制系統應滿足“穩、準、快”三個基本要求，以水箱的數學模型作為系統的開環傳遞函數，引入常用的PID控制規律，構成單回路水箱液位恒定PID控制方案。系統的理論分析方法及主要內容為：時域分析法的階躍響應輸出以揭示動態性能指標、頻域分析法的奈奎斯特曲線和伯德圖揭示系統的穩定性。

由于MATLAB軟件具有功能強大、高效實用特點，適用于對系統控制方案進行理論仿真分析。利用MATLAB軟件完成復雜的數學計算及圖形的繪制，結合自動控制系統的時域分析法和頻域分析法的內涵、規律、結論及特性，分析系統不能滿足快速性和準確性要求，為此，需要對系統進行校正設計，引入PI調節器。通過對單容水箱液位控制的仿真分析，以及PI參數調整前后性能的對比，使學生充分領會到理論分析對實際應用的指導意義，提升讀圖、觀察響應曲線的基本技能。

3.系統PID控制運行。利用MATLAB軟件對水箱液位控制進行了形象而直觀的分析，充分體現了自動控制理論的數學建模、性能分析、校正控制方案三位一體高度融合；但對學生而言，依然處于空洞的想象之中。為此，應將自控原理與自控系統有機結合起來，即基于水箱液位PID控制系統A1000+智能儀表構筑測控平臺，通過學生的調試、運行、觀察、記錄，使他們切身體會理論和實踐互動的魅力，有助于理解和應用理論知識。

（二）直流電機調速控制

直流電機調速系統采用速度和電流雙閉環控制方案，水箱液位控制屬于單回路控制，通過引入更為復雜、實用的直流電機調速系統，進一步提升工程素質，為工程實踐能力可持續發展奠定基礎。下面基于數字式直流調速系統進行說明。

1.系統概況。系統功能框圖主要包括：輸入、速度環、電流環、觸發邏輯及晶閘管主電路，除晶閘管主電路及觸發驅動電路外，其他部分均由軟件實現。輸入部分由直接給定輸入端進入系統，由軟件進行數據處理。電流環由電流限幅和電流調節器組成，電流限幅對系統實現過電流保護，調節器實現PID控制。速度環主要實現PID控制，還可選擇電樞電壓、測速發電機、光電編碼式負反饋模式，以及自適應功能，使調速系統的控制性能更加完美。數字調速系統的硬件包括模擬量輸入（反饋輸入）、模擬量輸出、數字量輸入、數字量輸出、通信接口電路、CPU及存儲器、控制及保護電路、主電路及勵磁電路、控制電源。

2.系統的數學模型和MATLAB仿真分析。直流電動機的數學模型為，晶閘管整流電路、負反饋單元為比例環節，速度環、電流環為PID控制規律。利用MATLAB軟件對系統的穩定性、穩態性能、動態性能仿真分析，完善和深化自動控制理論分析方法及特性應用。

3.系統調試運行。深入企業一線工藝場景，由企業兼職教師為主導，指導學生完成雙閉環直流調速系統的調試、運行工作。系統調試基本過程及內容為：控制回路各單元和部件的檢查和測試，主電路、繼電保護電路的檢查和電流開環的整定，開環調試及速度環的整定，系統閉環調試。在系統穩定運行并達到所需穩態精度后，對系統的動態性能進行測定和調整，觀察并記錄主要變量，并從中分析調節器參數對系統動態性能的影響，找出改善系統動態性能的調整趨勢，使系統動、靜態性能達到要求。同時分享企業工程師的實踐經驗，提升學生工程意識和工程應用能力。

總之，通過整合教學內容，實現理論與實踐有機結合、分析問題與解決問題相結合，貫徹“教師為主導，學生為主體”的現代教育思想。尤其實現了理論分析計算、MATLAB仿真、工程案例“三位一體”，不僅提高了學生的綜合素質，強化理論與實踐互通意識及提升工程素質，也增強了學習的興趣，為提升自動控制理論課程教學效果奠定了良好的基礎。

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【基金項目】廣西機電職業技術學院“自動控制原理課程教學內容和方法改革探討”成果（2016YKZ009）。

【作者簡介】蔣興加（1969— ），男，湖南道縣人，廣西機電職業技術學院教授，研究方向：自動控制。

（責編 丁 夢）