基于工程教育專業(yè)認證的自動控制原理教學改革研究

張可兒,韓娜妮,趙 莉

（隴東學院電氣工程學院，甘肅 慶陽 745000）

我國在2016 年加入《華盛頓協(xié)議》組織后，提出了以學生為中心、產(chǎn)出導向（OBE）和持續(xù)改進（CQI）三大教育理念，其核心是涵蓋應用知識、公民責任和綜合能力三大方面的12 條畢業(yè)要求，其中，重點要求畢業(yè)生具有表達、分析、理解、研究和評價復雜控制系統(tǒng)的能力[1]。

根據(jù)工程教育專業(yè)認證的要求，我校新制訂的自動化人才培養(yǎng)方案注重學生素質(zhì)的培養(yǎng)，使學生具有基礎(chǔ)扎實、專業(yè)性強的特點，具有分析問題、解決問題的能力和創(chuàng)新意識，同時注重提高人文科學、法律法規(guī)、職業(yè)道德素質(zhì)等修養(yǎng)，使學生能夠成為自動化相關(guān)領(lǐng)域的高素質(zhì)專門人才，并具備解決自動控制復雜工程問題的能力。

《自動控制原理》是自動化專業(yè)核心課程，是一門理論性較強的工程科學。通過該門課程學習，要求學生掌握自動控制的基本原理，熟練掌握各種理論分析方法；同時通過實驗，將理論與實踐有機地結(jié)合起來，培養(yǎng)學生一定的實際動手能力及解決自動控制復雜工程問題的能力。

目前，關(guān)于自動控制原理課程教學改革研究有了較多的研究成果。邢燦華[2]重點研究了提高自動化專業(yè)核心課程《自動控制原理》課程目標達成度及課程達成度的方法。在文獻[3]中，張萍研究了MATLAB 軟件在分析線性系統(tǒng)穩(wěn)定性中的應用，論證了引入MATLAB 仿真軟件的必要性和可靠性。王妍[4]等結(jié)合工程教育認證的背景，分析《自動控制原理》課程的特點和存在的問題，通過調(diào)整教學大綱和實驗課程，建立新的考核模式，提高學生辯證思維能力、解決問題能力和科學研究能力。武曉晶[5]等利用網(wǎng)絡教學平臺，多方位的研究了《自動控制原理》課程的教學改革。

本文面向工程教育專業(yè)認證，針對目前教學中存在的問題，研究了Matlab 軟件在自動控制原理課程中在培養(yǎng)學生解決實際工程問題能力方面的應用。充分利用Matlab 軟件，不僅能夠幫助學生學習、理解理論知識，同時克服實驗學習時間和空間的限制，提高學生學習效率，鍛煉學生獨立思考、解決控制問題的能力。

1 傳統(tǒng)教學存在的問題

自動控制原理具有理論性強、概念抽象、知識系統(tǒng)性強的特點，對學生的數(shù)學能力要求較高。在傳統(tǒng)的理論教學中，教學過程枯燥，學生學習的難度較大，興趣較低，學習效果不理想。并且現(xiàn)有教材和實際工程實例結(jié)合的較少，難以突出自動控制原理在實際工程問題中的應用。

在傳統(tǒng)的實驗教學中，由于實驗設(shè)備和課時的限制，大部分的實驗只是對理論知識的簡單驗證，難以進行系統(tǒng)設(shè)計等復雜性的實驗。

Matlab 軟件由于其強大的功能廣泛應用于自動控制、數(shù)學運算、信號分析、航天工業(yè)及語音處理等行業(yè)。在自動控制原理課程中引入Matlab 軟件具有多個優(yōu)點。首先，在線下理論學習中，學生可以利用Matlab 進行理論驗證學習，提高自主學習的能力；其次，通過軟件仿真學習，學生學習理論知識和實驗學習可以不受時間和空間的限制；最后，在實驗設(shè)備有限的情況下，通過軟件進行理論驗證、系統(tǒng)分析和設(shè)計，最大限度的培養(yǎng)學生解決復雜控制系統(tǒng)問題的能力。

2 Matlab 在自動控制原理教學中的應用

2.1 基于Matlab的教學改革

自動控制原理課程課堂教學主要是系統(tǒng)的分析。在講授系統(tǒng)分析中，重點放在分析方法和原理的理解上，對于根軌跡、Nyquist 及Bode 的復雜圖像的繪制可以借助Matlab 進行完成。同時，Matlab 也可以完成實際復雜工程問題的仿真分析。Matlab 軟件在實驗教學中的作用更加突出，可以突破實驗時間和設(shè)備的限制，除了完成簡單理論的驗證問題外，也可以針對復雜實際工程問題進行仿真驗證，以提高學生實際動手的能力。

2.2 實例舉證

這部分以自動控制系統(tǒng)校正實例說明Matlab仿真軟件在本課程理論和實驗教學中的應用。例：單位負反饋系統(tǒng)的前向通道傳遞函數(shù)為，設(shè)計校正環(huán)節(jié)使系統(tǒng)的相角裕度大于45°，截止頻率大于50rad/s。

本例題涵蓋了系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)動態(tài)性能計算、系統(tǒng)設(shè)計等知識點。在學習中，學生需要利用相應的理論知識對系統(tǒng)進行分析和設(shè)計，之后利用Matlab 軟件可以對理論分析和設(shè)計的結(jié)果進行驗證，如圖1 所示。

圖1 校正前系統(tǒng)的單位階躍響應曲線

根據(jù)以上分析出，原系統(tǒng)穩(wěn)定，但其動態(tài)性能不符合要求，需要通過加入校正環(huán)節(jié)進行系統(tǒng)校正。

（2）系統(tǒng)設(shè)計

為使系統(tǒng)符合性能指標要求，進行超前校正，如圖2 所示。

圖2 校正后系統(tǒng)的單位階躍響應

根據(jù)上述驗證結(jié)果，可以得出，通過加入超前校正網(wǎng)絡，系統(tǒng)的動態(tài)性能達到要求。

3 結(jié)束語

將Matlab 引入到自動控制理論教學中，不僅可以提高課堂教學質(zhì)量，還打破實驗課和理論課分開講授的界限，最大限度的提高學生的學習效率，以培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和自主創(chuàng)新的能力。