自動控制原理在非自動化專業的教學方法探索

摘 要 根據“自動控制原理”課程特點，針對我校理論課時少、沒有后續實踐教學環節的教學情況，提出了建設在線開放課程、引入MATLAB實驗教學內容、以賽促教等教學改革思路，以提高學生的學習興趣及工程實踐能力。

關鍵詞 自動控制原理 教學改革 MATLAB

中圖分類號：G421 文獻標識碼：A

0引言

“自動控制原理”不僅是高校控制類專業必修課程，而且越來越多的非控制專業也列入必修課，也是各高校研究生入學考試的課程。自動化的核心是控制技術，控制技術的基礎是控制理論，沒有先進的控制理論就沒有先進的控制技術。

自動控制技術的應用不僅使生產過程實現了自動化，極大地提高了勞動生產率，而且減輕了人的勞動強度；自動控制使工作具有高度的準確性，大大地提高了武器的命中率和戰斗力，例如火炮自動跟蹤系統必須采用計算機控制才能打下高速高空飛行的飛機；某些人們不能直接參與工作的場合就更離不開自動控制技術了，例如原子能的生產、火炮或導彈的制導等等。

本文將結合我校電子信息工程和通信工程這兩個非自動化專業開設《自動控制原理》這門課程的實際情況，介紹教學改革的一些方法探索。

1課程特點分析及目前教學過程中存在的問題

1.1課程教學內容

《自動控制原理》這門課主要是講自動控制系統的基本概念、控制系統的數學模型建立、介紹線性系統的時域分析、根軌跡分析、頻域分析三大分析設計方法，并介紹校正的相關概念與系統校正的設計方法。

要學好這門課程主要把握幾個環節：

（1）知識的連續性，一環扣一環，及時消化理解；

（2）自動控制原理課程是建立在高等數學、線性代數、積分變換、電路分析基礎、模擬電路、數字電路、大學物理、機械設計基礎、信號與系統等專業課之上，掌握好相關前導課程很重要；

（3）加強作業練習，作好課堂筆記；

（4）利用好答疑時間，發現問題及時解決；

（5）加強實踐環節，會利用matlab軟件進行仿真分析。

1.2課程現狀及存在的問題

自動控制原理與智能制造關系密切，特點是概念深奧難以理解、知識點眾多、工程實例豐富并具有抽象性，且對高等數學、線性代數、電路分析、信號系統等課程要求較高，導致學習難度較大。我校開設自動控制原理的專業有“電子信息工程”和“通信工程”，在以往的教學中，由于該課程只有32課時，且沒有后續的實驗課或課程設計課開設，我們往往只注重講授基本概念、基礎理論和公式推導等相關理論知識，忽視了工程應用，從而導致課堂十分枯燥乏味，學生厭學情緒嚴重，教師喪失教學激情。在教學實踐中主要存在的問題在于，過分強調抽象的理論及公式推導、強調數學計算能力，與工程應用幾乎脫節，學生無法將理論知識與實際應用結合起來。自控控制原理課程知識點眾多，為了在有限的授課時間保證學生學懂基本知識，目前采用“黑板加粉筆”結合多媒體教學方式，大量的計算推導還是利用板書完成，因為多媒體講解速度太快，學生一下難以消化。但是過長的理論推導過程很難吸引學生的注意力，往往是老師講的很起勁，學生聽的昏昏欲睡。綜上，對本門課程的教學改革迫在眉睫。

2教學改革方案

2.1建設在線開放課程

建設自動控制原理在線開放課程，將課堂講授與在線課程學習結合起來。老師在課堂上講授系統知識，學生課下通過在線課程學習，鞏固各個知識點。對于在線開放課程的建設，需要考慮以下幾個方面：

（1）以知識點為基本教學單位，設計一定的典型例題，組織好教學內容，充分發揮在線開放課程“短小精悍”的特點。

（2）根據不同教學實例及不同知識點的要求制作課程視頻，視頻內容多采用圖片或Flash動畫方式呈現，便于理解，且具有吸引力。

（3）根據學生的學習基礎水平，充分考慮難度和題量，設計好在線同步練習。根據學生在線完成情況，可以有針對性的教學和答疑。

（4）成立“自動控制原理”課程組，采用教學團隊協作教學模式。在線課程的建設任務繁重，依靠一兩個任課老師是很難實現的，成立課程組之后，可以把任務均攤，根據各位老師的長處合理安排任務，更利于學科建設，多一些老師探討，也利于問題的解決。

2.2改革教學方式、轉變教學模式

重新修訂教學大綱，對課程體系進行調整優化，強化基礎知識，凸顯工程應用。嘗試CDIO翻轉課堂教學模式，要求學生每次課前通過在線課程自主學習相關模塊內容，完成相應練習測評內容。老師通過交流平臺了解學生學習的難點以及一些共性問題，利用課堂時間集中進行講解，再采用課上項目探究實踐環節設計。課后學生需完成相應書面作業及網上作業，鞏固所學知識。

2.3利用Matlab/Simulink增加實踐模塊

單純理論知識的學習過于抽象，必須通過實踐教學加強學生的感性認識。通過實踐教學，可以讓學生懂得如何將控制理論用于解決實際控制系統的問題，加強工程應用能力。而自動控制原理的實驗用硬件來設計有較大難度，可以利用MATLAB軟件設計。MATLAB是一款功能十分強大的計算機仿真軟件，可以用于圖像處理、數值分析、控制系統設計、神經網絡、信號處理等多個領域，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB的Simulink仿真功能結合控制系統工具箱為實驗的開設提供了便利。將MATLAB和Simulink引入教學之中，可以減少課堂上繁雜的數值計算，利用MATLAB的強大繪圖功能，便于定性分析各類控制系統的性能。對于一個實際的控制系統，系統的動態特性會隨著系統參數的變化發生改變，從而影響性能。利用MATLAB軟件可以很容易的分析參數變化對系統的影響，還可以進行可視化仿真。

例：已知系統的傳遞函數為G（S）=，H（S）=；試概略繪制閉環根軌跡圖（注意復數分離點的確定）。

根據題意，編寫程序如下：

num1=[1 12 32]；

den1=[1 24 144 0 0]；

[p1 z1]=pzmap（num1， den1）

figure，

rlocus（num1，den1）

系統根軌跡如圖1所示，其中分離點有3個：d1=-6，d2，3=-6眏5.29（復數分離點）。

2.4賽教結合，以賽促教

將自動控制原理的教學與“恩智浦”杯智能汽車競賽結合起來，針對學有余力且興趣濃厚的學生，增加課余創新實踐訓練環節。智能汽車競賽是以智能汽車為研究對象的創意性科技競賽，涵蓋了控制、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械等多個學科交叉的科技創意性比賽，是面向全國大學生的一種具有探索性工程實踐活動。該大賽分競速賽和創意賽，其中競速賽分不同的組別，需要在統一汽車模型平臺上，使用恩智浦公司的8位、16位、32位微控制器作為核心控制模塊，通過增加道路傳感器、設計電機驅動電路、編寫控制算法程序等，制作一個能夠自主識別道路的模型汽車，在專門設計的跑道上自動識別道路行駛，以完成時間最短者為優勝。要想車子跑的快，其中很重要的一方面就是對控制算法的程序編寫。

我校電信、通信專業的學生每年都會參加這項比賽，取得過全國二等獎的好成績。那么在《自動控制原理》講課過程中，可以往屆參賽智能汽車為研究對象，設計任務分組讓同學們編寫自己的PID控制算法，然后現場測試汽車行駛情況。通過這種方法可以提高同學們的學習興趣，增強動手能力，進一步為學生踏入社會找到好的工作奠定良好的基礎。

3結束語

國家在2015年頒布的“《中國制造2025》綱要”中提出了“智能制造”的概念，意味著我國急需精通自動控制技術的高端人才。通過建設在線課程的方式以縮短課堂教學時間；利用MATLAB軟件進行實驗教學，將理論與實際結合起來，改善學習效果；再配合學科競賽，可以全面提升教學質量，培養出具備一定工程實踐能力的學生。

作者簡介：楊祖芳，（1981-），女，漢族，湖北荊州人，碩士，武漢工商學院講師，研究方向：電子線路與嵌入式系統。

參考文獻

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