《自動控制原理》非標準答案考試方式與方法改革探索

□吳小娟 郝家琪

一、引言

《自動控制原理》是高校自動化類、電氣信息類、機械類等專業(yè)重要的專業(yè)基礎理論課程。它是高年級《計算機控制理論》《電機拖動理論》《過程控制理論》等后續(xù)課程的重要基礎，也是研究生《線性系統(tǒng)理論》《非線性系統(tǒng)理論》《自適應控制》等課程的基礎。在工業(yè)控制與優(yōu)化設計中也需要《自動控制原理》的相關原理作為重要的理論依據(jù)。

以往《自動控制原理》的期末考試方式一般是出題教師依據(jù)教學大綱進行命題，并給出每一題的詳細答案和每步解題步驟的評分標準。學生考試完后，任課教師根據(jù)標準答案進行批改試卷，并給出學生課程的期末考試成績。對于這樣的標準答案考試，學生的學習方式就固化成了背背公式，做做習題，對問題只知其然卻不知其所以然，學生的學習興趣得不到提升，創(chuàng)新思維被束縛，自然也就無法在考試中考核學生的創(chuàng)新能力。

教學的真正目標應該是培養(yǎng)學生具有獨立思考、善于想象和創(chuàng)新的能力。為了改善標準答案考試的不足，培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力，《自動控制原理》課程非標準答案考試的探索是很必要的。非標準答案考試不是不考試，而是沒有標準答案的考試。采用非標準答案考試使學生把更多的精力放在平時的課堂上，而不是應試上面，這樣才算是回歸教育的初衷，即讓學生真正地掌握并理解學科知識，破除“高分低能”的積弊。

針對自動控制原理，本文設計了如下一個非標準答案考試題目及評價方式。設計題目為“燃料電池控制系統(tǒng)設計”，對學生的評價方式包括三部分，一是燃料電池控制系統(tǒng)調研報告；二是燃料電池控制方案設計；三是基于仿真平臺的燃料電池控制系統(tǒng)仿真實現(xiàn)。為了考察學生綜合運用知識的能力，三部分的占比分別是30%、40%、30%。對學生的評價手段包括但不限于小組展示，小組互評和教師評分。此題目的設計已經從實踐中證明了能很好地考核學生的綜合分析能力以及實踐能力和創(chuàng)新能力。

二、對考試題目設計的簡要說明

(一)題目背景。燃料電池是一種發(fā)電效率高、環(huán)境污染小、比能量高、噪音低及燃料范圍廣的化學裝置。它能把燃料所具有的化學能直接轉換成電能。燃料電池早期發(fā)展方向集中在軍事、航空航天等專業(yè)應用以及千瓦級以上的分散式發(fā)電和混合發(fā)電。目前由于國家政策的引導，電動車領域逐漸成為燃料電池的主要應用方向，市場上已經出現(xiàn)多種以燃料電池作為動力的電動車。此外，通過小型化技術將燃料電池為一般消費電子產品提供電力也成為燃料電池的應用發(fā)展方向之一。燃料電池需要在適合的溫度和壓力下才能正常工作，同時輸出用戶預設的電壓、功率以及電流。為了保障燃料電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行，設計合適的控制策略是至關重要的。

(二)題目要求。第一，學生需查閱資料了解燃料電池的工作原理以及組成，了解被控對象燃料電池的輸入量和輸出量以及燃料電池控制系統(tǒng)的常用控制方式。第二，學生需要運用自控知識設計控制器、并分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，穩(wěn)態(tài)誤差及動態(tài)指標。第三，在MATLAB仿真平臺上進行仿真，驗證設計的控制方案。

三、學生優(yōu)秀答案

(一)調研報告——固體氧化物燃料電池(SOFC)控制系統(tǒng)調研報告。固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種高效的、環(huán)境友好的發(fā)電裝置，它工作在中高溫，能直接將存儲燃料和氧化劑中的化學能轉化為電能。不管是采用比較簡單的PID控制器還是比較復雜的模型預測控制或滑模控制，其控制目標都主要集中在系統(tǒng)的功率、溫度、燃料利用率以及空氣過氧比等方面，為了保證SOFC系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定的運行，大量的PID控制器、自適應控制器、模型預測控制器等應用到SOFC領域，實現(xiàn)了對系統(tǒng)燃料利用率、空氣過氧比、溫度、功率等控制。

(二)控制方案。采用PID控制器實現(xiàn)對燃料電池溫度的控制，實現(xiàn)通過對入口燃料流量的控制使得SOFC的出口氣體溫度穩(wěn)定在預設值。控制框圖如圖1、圖2、圖3。

圖1 SOFC溫度控制方案框圖

圖2 SIMULINK 仿真圖形

圖3 SOFC溫度控制仿真結果

(三)學生MATLAB仿真實現(xiàn)及仿真結果。由控制結果可知，系統(tǒng)響應的調節(jié)時間比較長，超調量很小，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為0.04。

四、結語

在自動控制原理課程非標準答案考試方法和方式改革中,題目“燃料電池控制系統(tǒng)設計”在實踐中證明了能夠很好地考核學生在自控原理穩(wěn)定性判斷、控制系統(tǒng)性能指標計算以及系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差計算等方面的計算，學生加深了對控制器和負反饋等概念的理解，同時也實現(xiàn)了對學生的問題分析能力、編程能力、實踐能力、創(chuàng)新能力等綜合能力的考核。