“自動控制原理”課程教學方式優化與實踐

陳琦

（西安文理學院，陜西 西安 710065）

1 現狀背景

“自動控制原理”課程是自動化專業、測控技術與儀器專業等相關專業的核心課程，這一課程知識在許多工程技術領域中有著廣泛應用。它是自動控制技術的基礎理論，是一門理論性較強的工程科學。課程的特點是理論較抽象，對數學知識要求高，學生往往感到難以理解，更談不上融會貫通。原有的教學模式主要是教師課堂通過板書或者輔助PPT 傳授理論知識，課下學生寫作業復習鞏固。這種傳統的教學方式顯然不利于應用型本科人才培養目標的實現。為了更好地調動學生學習的積極性，改變學生被動學習的狀態，進一步提高學生自主學習能力、實踐創新能力，從而更有效地將理論知識與工程實踐相結合，需要對目前“自控原理”課程教學方式進行優化。

2 教學方式改革的優化與實踐

2.1 線上線下混合式教學模式

在“互聯網+”快速發展的新形勢下，為進一步提高學生的自主學習能力、培養學生的創新意識及獨立分析問題和解決問題的能力，根據“自動控制原理”課程的培養目標要求，依托泛雅教學平臺，優化原有的教學模式，積極開展線上線下混合式教學。教師先將課程資料上傳到網上教學平臺，并通過網上教學平臺發布課前預習任務，學生根據任務要求有針對地開展自主學習，并完成預習作業，這樣在上課前對本節內容的重難點及涉及的知識點做到心中有數，避免因基礎差異而導致部分學生上課聽不懂，進而喪失學習的信心，出現抄作業、曠課以及上課睡覺等情況。以學生為主體，以教師為主導，激發和活躍學生的思維，提高學生聽課的積極性、主動性和學習效率。在預習知識點的基礎上，利用課堂時間進一步理解、消化和吸收教學內容。比如，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。在布置預習任務時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？讓學生帶著這個問題進入課堂，在講解這個知識點的過程中可以提出反饋的機理。再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，并且印象深刻。

依托網上教學平臺，布置章節測試題，根據教學內容隨機、分階段進行，主要考核學生對各重點章節的掌握程度，對學生的平時學習形成階段性的檢驗，也對學生起到經常性的督促作用，同時還能及時發現學生學習中存在的問題，以便隨時采取措施彌補前一階段教學中的不足。

2.2 Matlab 仿真軟件的應用

Matlab 是美國MathWorks 公司出品的商業數學軟件，用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，主要包括Matlab 和Simulink兩大部分，比用C、FORTRAN 等語言完成相同的事情快捷得多。Matlab 的應用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統設計、測試和測量、財務建模和分析以及計算生物學等眾多應用領域。在自控原理的教學過程中，將Matlab 和自動控制理論有機結合起來，利用Matlab 對控制系統進行數字仿真，培養學生應用計算機輔助分析和設計控制系統的能力，有助于學生獨立思考和創新能力的培養。下面以典型控制系統舉例說明Matlab 的應用。

用MATLAB 繪出系統校正前后的伯德圖程序如下：

k0=5;

n1=1;

d1=conv([1 0],conv([1 1],[0.5 1]));

[mag,phase,w]=bode(k0*n1,d1);

figure(1);

margin(mag,phase,w);

k0=5;

n2=[10 1];

d2=conv(conv(conv([1 0],[1 1]),[0.5 1]),[120 1]);

[mag,phase,w]=bode(k0*n2,d2);

figure(2);

margin(mag,phase,w);

校正前后系統的Bode 圖如圖1 所示。

由校正后系統的伯德圖可知，系統的剪切頻率ωc=0.393s-1，相角裕度γ0=44.3°，與計算值基本符合，滿足相角裕度γ≥40°，校正后幅值裕度h=15.9 dB，與計算值基本符合，滿足幅值裕度h≥10 dB。

圖1 校正前后系統Bode 圖

用Matlab 繪出校正前后系統的階躍響應圖程序如下：

k0=5;

n1=1;

d1=conv([1 0],conv([1 1],[0.5 1]));

t=0:0.001:30;

G1=tf(k0*n1,d1);

sys1=feedback(G1,1);

n2=[10 1];

d2=conv(conv(conv([1 0],[1 1]),[0.5 1]),[120 1]);

G2=tf(k0*n2,d2);

sys2=feedback(G2,1);

subplot(2,1,1);step(sys1,"-",t);

subplot(2,1,2);step(sys2,"-.",t);

校正前后系統的階躍響應圖如圖2 所示。

圖2 校正前后系統的階躍響應圖

在單位階躍響應曲線上可得到系統的超調量和調節時間，由圖2 可以看出，校正后系統的超調量變小，調節時間變短，可知校正后系統的性能顯著提高。

3 結語

通過對“自動控制原理”課程教學方式的優化與實踐，加深了學生對控制理論基本概念的理解吸收，激發了學生對“自動控制原理”課程的濃厚興趣，同時又培養了學生計算機輔助設計分析的能力，提高了解決實際問題的能力和創新意識。