應用型本科自動控制原理課程教學探析

翟玉曉　劉越　楊鴻　張瑞明　王璐凡

關鍵詞：自動控制原理；教學方法；課程特點；應用型本科；適應性

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）36-0121-03

1 引言

自動控制原理作為自動化專業的專業基礎課，要求學生要有相應的控制思想，熟練掌握分析和校正系統的方法和手段，以便設計合適的控制器對系統進行精準的控制。

因為自動控制原理所闡述的方法不是只針對一個系統或一類系統，而是只要滿足單輸入單輸出的線性定常系統都可以用自動控制原理中所講的方法進行分析和校正。所以本門課程所涉及的系統非常之多，無法簡單地列舉一兩個系統來代替所有系統的特點。正因如此，課程中好多公式定理都是以一般形式給出的，這些公式比較長，公式推導起來非常復雜，涉及高等數學和復變函數的內容較多。再加上學生數學功底不扎實，所以在學習過程中就感覺本門課程的內容比較抽象、晦澀、難懂[1-2]。

除此之外，在日常教學環節中，課堂大多采用灌輸式的教學手段[3]。教師經常直接告訴學生影響系統性能的因素是什么，如何對其進行調整，而忽略了學生自我探索和驗證的過程[4]。這就出現了學生因考試而學，死記硬背，考完便棄的現象。

綜合上述情況，本文對自動控制原理的教學方法進行了探析。在保留原有教學方法中優秀部分的基礎之上，增加了實例講解和理論實驗結合部分，用以增強該課程的適應性，使其符合應用型本科對于學生的培養要求。

2 課程特點和教學現狀

2.1 課程特點

自動控制原理主要介紹了時域法、根軌跡法和頻域法這三種分析和校正系統的方法。在介紹這三種方法時，會涉及高等數學、復變函數和電路等課程的相關知識。這就需要學生在進行數學建模和公式推導時，要有扎實的數學功底、良好的知識遷移能力和較高的綜合應用能力。以上三種方法分別在時域、根軌跡和頻域內對系統性能進行討論，三者既相互獨立又相互支撐。學生在學習時需要在三個分析域內精準靈活地轉換，特別是復域向頻域的轉換，其難度較大，學生學習起來感覺比較吃力。

以上這些因素構成了自動控制原理這門課程的特點。正因為這些特點也導致了本門課程教學難度大，學生接受不太理想的情況。

2.2 教學現狀

2.2.1 講授式教學

自動控制原理這門課程概念抽象，推導公式眾多，課程容量大。因此，在日常教學中，教師常常運用直接講解的方法對本門課程進行教授。這樣做的好處在于，可以緊跟課程進度，做到每一個知識點的全面覆蓋。但是隨之而來的卻是學生對本門課程學習興趣的下降，以及學生對相關的理論知識缺乏思考、探索和討論[5]。

2.2.2 實際案例引入較少

自動控制原理這門課程最終需要解決的兩個問題：系統的分析和系統的校正。因此，無論是時域法，根軌跡法還是頻域法都是圍繞這兩個問題展開的。這些方法的講授大多都是借助數學方法進行推導。這就給學生造成了一種錯覺，好像自動控制原理一直在講數學公式的推導，跟企業的生產和設備的控制好像沒有多大聯系。學生僅僅只是學習了分析和校正系統的方法而已，但如何應用到實際系統之中，卻無從下手。

造成這一現象的原因是教學過程中只是就理論而講理論，沒有結合具體的案例。學生不知道所學的理論知識如何應用于系統，如何改善系統的性能。

2.2.3 實驗教學所占比例不大

三種分析和校正系統的方法最終的落腳點在系統穩定性、準確性和快速性上面。其目的主要是系統能夠按照控制要求平穩順利地運行。

這樣就需要學生分析并設計出符合控制要求的控制器。而控制器的分析和設計中，最重要的一步就是仿真驗證。自動控制原理教學過程中，往往是理論多于實踐。常做的一些實驗也是驗證性的實驗，且實驗占比較少。學生很難通過實驗的方法去探索系統結構和參數的改變對整個系統性能的影響。進而無法全面深入地了解自動控制原理中所講的一些理論和方法。

3 改革思路探討

3.1 授課形式的多樣化

在授課形式上應新舊結合。既要看到新型授課方式的好處，又要結合舊授課方式的優點，做到合理搭配。針對自動控制原理這門課程的課程特點，建議采用多媒體和板書并重的方式進行[1， 6]。

其中多媒體可以非常形象地展示整個控制過程。學生可以直觀地了解每一部分所起的作用。而板書恰好彌補了多媒體播放速度快和簡略公式推導過程的不足。在重要的公式講解上，用板書的形式，逐步進行推導，可以讓學生從根本上了解定理和結論的來源，同時也便于學生進一步地研究和拓展。

3.2 案例和理論教學并行

線性定常系統無法用某一個具體的系統來代替。因為具體的某個系統無法窮盡線性定常系統的所有特征。這就導致整個自動控制原理看起來主要在講理論方法和公式推導。

但是單純的講解理論方法，需要學生具備良好的抽象思維能力。結合本校學生的學情，學生顯然做不到這一點。因此，在講解理論方法時，需要結合與之相對應的例子進行。例如對于自動化和電氣工程及其自動化專業的學生可以結合RC、RLC、電機、電橋和受力分析等先前專業知識進行講解[7]。以大家熟悉的某些電路作為研究對象，對其進行分析，然后設計出與控制要求相匹配的控制器。這樣既可以幫助學生理解所學的理論方法，還可以培養學生的創新能力和解決實際控制問題的能力。

3.3 實驗和教學相結合

自動控制原理這門課程的講授過程中，往往著重于理論知識的講解。而實驗的作用也僅僅是為了驗證課程中理論的正確性。在這一教學過程中，實驗并未發揮出它應有的輔助和指導作用。

Matlab作為一款強大的仿真軟件，常常被用在各種系統的仿真分析中[8， 9]。針對上述問題，可以將日常理論和Matlab仿真結合起來進行教學。這樣對于某些知識點，教師可以預先給予引導，然后提出相應的問題，最后由學生通過仿真實驗來得出相應的結論。比如二階系統分析中，ζ的不同取值對系統輸出響應的影響和欠阻尼二階系統ζ的大小對系統穩定性和快速性的影響，就可以運用實驗仿真的方法由學生自己探索。

如下利用Simulink搭建了幾個二階系統，其結構如圖1所示。通過改變ζ的取值，可以得到二階系統在不同阻尼比ζ下的輸出響應。具體影響如圖2所示。以同樣的方法搭建了一個欠阻尼二階系統，其結構如圖3所示。通過該系統可以研究在欠阻尼情況下，ζ的大小對二階系統的影響。具體影響如圖4 所示。

其中，圖2從上至下，其ζ取值分別為-0.1、0、0.5、1和2；圖4從上至下，其ζ取值分別為0.1、0.3、0.5、0.7 和0.9。在圖2中，通過對比可以發現，隨著ζ從負到正，由小到大，二階系統從發散逐步變為穩定。從圖4 中可以看出，隨著ζ在（0， 1）內由小逐漸變大時，系統穩定性在逐漸變好，系統快速性在逐步變差。

對于二階系統的分析，教師只需要講解二階系統的結構和相應的參數。而把參數ζ是如何改變系統性能的問題，以仿真的形式讓學生自己去探索。通過實驗的對比，讓學生自己得到相關問題的結論。在這一過程中，還可以培養學生相互協作的能力。

除此之外，根軌跡分析法和頻域分析法，都是建立在繪圖基礎之上的分析方法。而Matlab恰恰擁有強大的繪圖能力，學生可以借助Matlab實現根軌跡圖、Nyquist圖和Bode圖的繪制，以此展開對系統的分析[10]。同時，對于控制器的設計和系統的校正問題。學生也可以借助Matlab，設計出符合實際工程需要的控制器，使其滿足實際工程的需要。

4 效果與反思

在之后自動控制原理的教學過程中，通過對以上三種方法的交叉應用，可以明顯看出學生對于課程的參與度在增加。學生會緊跟教師的思路，會跟老師探討自動控制原理相關的知識點，提出自己的疑問，說出自己的看法。因為有學生自己熟悉的案例，課本上分析和校正系統的方法不再是冷冰冰的條條框框，學生會主動學著去運用它們解決一些控制問題。同時，以實驗作為手段，帶著問題去探索，通過對比得出相應的結論，這樣更利于學生對知識點的掌握。在這一過程中，還可以培養學生獨立思考，相互協作的能力。

5 結論

本文通過對自動化專業開設的自動控制原理課程的簡要介紹，剖析了本校在此門課程的日常教學過程中出現的不足，結合本校應用型本科學生的培養要求，對自動控制原理這門課程進行了教學探析。以多媒體與板書并重、案例與理論教學并行和實驗與教學相結合的教學形式，取代以往的理論教學為主的填鴨式的教學方式。所提方法本著以學生為中心的原則，志在培養學生的探索能力、創新能力和協作能力。使學生不但要理解所講內容而且會靈活應用所學內容。