《Principle of Automatic Control》留學生課程案例式教學研究

（上海海洋大學工程學院 上海 201306）

隨著“一帶一路”倡議及其它國家戰略的推進和各高校對國際化辦學更加重視，越來越多的學生到我國留學。以上海海洋大學為例，近年來留學生來源國明顯增加，其學習基礎也有較大的差別。《Principle of Automatic Control》是工程類專業一門重要的專業基礎課，針對現有留學生來自于歐美、日韓、東南亞、南亞、非洲等國家和地區，其知識基礎、語言水平等方面存在較大差別的現狀，設計案例式教學方法，采用“案例-理論-案例”的總體架構，降低入門難度，并著力滿足不同專業的個性化需求。

1 工程類留學生控制理論課程授課特點分析

控制理論在工程類專業知識體系架構中處于重要地位，其在數學、物理、化學之上，與力學、電學、圖學等處于同一層級。傳統控制理論的學習把主要精力配置于理論推導、模型分析等，導致不少學生“深入”而不能“淺出”，理論與實際對接不夠，雖然考核能夠高分通過，但沒有真正有機納入自己的知識體系。特別是對于留學生課程來說，由于所面對學生基礎差別大，語言表達存在困難，導致相關學習更加困難。基于這一問題，改革授課內容與方法，以案例式教學為主要架構貫穿前后，中間理論推導借助仿真軟件，真正把學生的注意點放到控制理論的本質上，在“理解”基礎上自然的“吸收”。

2 課程分層案例授課結構設計

《Principle of Automatic Control》課程大體上分為緒論、建模及簡化、性能分析、穩定性、校正，以及后續的其他部分內容。緒論為導入性內容，案例1從第一次工業革命中蒸汽機中離心球速度控制機構開始講起，包括通過皮帶輪將速度引出，帶動小球離心轉動，離心球離心力帶動滑塊的滑動，滑塊進一步帶動杠桿運動，杠桿帶動蒸汽閥門。這一案例可以講明機械化時代的自動控制代表性實現形式。案例2從第二次工業革命中基于熱電偶的溫度控制案例講起，包括通過熱電偶將溫度引出，以電壓的形式通過放大器后傳給電橋，電橋進一步放大電壓后驅動電機，電機控制燃氣閥門，形成對溫度的控制。這一案例可以講明電氣化時代的自動控制代表性實現形式。

建模部分重點以直流電機為例進行講解。電機的建模包含了機械和電氣兩部分，特別是反電勢和電機輸出角速度成正比，電機扭矩和電流成正比。反電動常數和電磁力矩常數兩個量的講解使得學生能夠很好的理解什么是建模，對于建模的含義加深了理解，進一步了解了工程和科學的區別。通過本例，對線性系統增量方程進行了深入的講解，使得學生真正理解線性控制是基于平衡點的穩定性控制，雖然增量方程模型和線性方程建模的方程看起來相同，但其完全有不同的意義，這一點對學生講透將是學生學習過程中一次有力突破，為后面系統性能分析和穩定性判定部分的學習打下堅實的基礎。

系統性能分析主要從代數的角度進行，在前面兩章案例的基礎上已比較好理解，借助Matlab軟件可以非常方便的獲得相關結果。穩定性分析這一部分學習的基礎是弄清楚什么是穩定。通過液壓位置隨動系統案例的講解可以很清晰的了解什么叫做振蕩收斂這一控制的最基本形式，這一案例同時也可以深刻地反映出什么叫做反饋。本案例結合第二章電機建模案例中的增量方程，進一步展示了隨動系統中的平衡點控制的工作原理，兩個案例的比較顯示了隨動系統為平衡點連續變化的更為復雜一步的控制系統。

性能校正是控制理論基礎學習的重要目標，是獲得所需要性能的必要工作。校正需要引入系統新的環節以改變系統的相對穩定性。采用RC模擬電路作為相位、幅值改變環節進行系統分析和校正，獲得所期許的性能指標。第二次工業革命后自動控制中模擬控制電路是主要形式，選擇RC模擬電路作為校正環節容易與相關控制關聯，使得同學更好理解。

3 科研成果綜合性案例在課程中的應用

前述五個案例為主的課程教學已經可以把課本內容較好的串起，大大減小了課程內容抽象化，再結合仿真軟件輔助教學，使得學生的精力可以集中在關鍵環節上進行理解，有效提升了教學效果。雖然如此，學生反映所學控制理論似乎與現實控制還有一定的距離，特別是信息化時代下的自動控制應該怎么樣去理解。

為解決這一問題，課程中引入了作者在科研項目中所研發的基于衛星定位的雙體式自主導航投餌船，如圖1所示。通過對本自主導航船的運動模型構建、PID控制參數調試、基于遺傳算法優化的控制系統性能評估和提升等，從建模、性能分析、穩定性、校正等不同的層面和學生一起進行一一對應，使得同學逐漸了解了控制系統的靈活性。基于這一案例，還和學生探討了大風環境下的干擾問題，進一步講解了抗干擾設計。

圖1：雙體式無人自主導航投餌船

無人導航船案例的加入補充了第三次工業革命后在集成電路加持下的自動控制的實現形式，特別是與人工智能的結合，學生已可以理解無人駕駛汽車等正在發展中自動控制系統的設計，這一點對于學生聯系實際至關重要，也便于和后續課程的關聯。

4 結論

針對留學生生源來源范圍廣，差距大的特點，采用五個基本案例和一個綜合案例組成《Principle of Automatic Control》案例教學體系。通過案例教學，圖形化和仿真軟件的教學形式降低了學生的語言要求。通過案例教學，特別是第一次工業革命中的機械化控制案例、第二次工業革命中的電氣化控制案例、第三次工業革命中的信息化控制案例，使得學生能夠更好的站在人類發展的角度來理解什么是自動化控制及如何實現。

實際授課效果表明，在由日本、巴基斯坦、西非等多個國家學生組成的班上，通過基本案例引入、基于仿真軟件的理論分析、綜合案例落腳的總體架構，弱化了學生對于理論知識的畏懼感，于有趣的分析中了解了為什么這么做，取得了很好的效果。特別是對綜合性案例中所提出的基于人工智能的控制系統優化，使得學生展開了想象的空間，提高了學生的興趣，取得了很好的授課效果。