新工科背景下案例化教學在“自動控制原理”課程中的實踐

摘 要：隨著新工科的提出，工程教育面臨著轉型與創新的挑戰。傳統的教學模式往往側重于理論知識的傳授，缺乏對學生實踐能力和創新思維的培養。案例化教學作為一種有效的教學方法，能夠促進學生主動學習和實踐能力的提升。依據“自動控制原理”課程理論性復雜、公式多以及難以理解的特點，以培養學生的創新、動手能力為目標，探討了案例化教學在“自動控制原理”課程中的應用，分析了其實施過程中的具體實踐路徑和效果，并提出了相應的進一步改進建議。研究表明，案例化教學能夠有效提升學生的學習興趣和實踐能力，為新工科人才的培養提供了有力支持。

關鍵詞：新工科；案例化教學；自動控制原理；工程教育；實踐能力

中圖分類號：G642.0" 文獻標識碼：A

新工科背景下，工程教育的改革已成為必然趨勢，同時也需要與時俱進行改革。“自動控制原理”作為測控技術與儀器、自動化、電氣工程及技術、智能科學與技術等專業的一門重要工程基礎課程，具有理論性強、涉及知識領域廣、理解抽象等特點，其教學方法的改革顯得尤為重要。傳統的教學模式往往無法滿足培養現代工程人才的需求，尤其是在實踐能力和創新思維的培養方面更顯欠缺。案例化教學作為一種教學方法，通過真實案例的分析與討論，能夠激發學生的學習興趣，促進學生的主動學習和實踐能力的提升，提高其解決實際問題的能力，能夠實現培養具備創新能力和實踐能力的人才目標。

一、案例化教學

案例化教學源于建構主義學習理論，強調學生在真實情境中進行學習。通過分析和解決具體案例，將學生解決問題的能力和社會責任感的培養融入案例教學中，學生能夠將理論知識與實際應用相結合，自主地進行知識構建，促進知識的內化與應用。在實際教學過程中，教師圍繞教學目標和能力培養目標，將學生需要掌握的“自動控制原理”知識圍繞一個或幾個核心案例展開，在分析探討案例過程中通過問題的提出、方法的選擇、理論的應用、仿真與實驗驗證等有效手段，進行知識點的學習。教師在學習過程中引導學生通過自學、聽講、分組協作討論、習題解答、實驗驗證和答辯等方式完成學習任務。經過整個學習過程，可以實現學生自學能力、動手能力、人際溝通能力、知識運用能力、解決工程能力及愛國情懷等的培養。

二、“自動控制原理”的教學目標

本校的測控技術與儀器專業的“自動控制原理”課程的理論教學目標包括三個：理論教學目標一是要求學生掌握自動控制系統的基本概念、分析方法和校正原理，并能用于解決復雜的測控工程問題，能夠將工程原理和專業知識用于分析工程問題的解決途徑，并進行改進，能用專業知識判別過程的極限和優化途徑。理論教學目標二是要求學生掌握控制系統的分析和設計方法，并能運用于分析測控工程領域復雜工程問題，學生在這一過程中學會能夠正確表達工程問題的解決途徑，并運用基本原理證實解決方案的合理性。理論教學目標三是要求學生掌握控制系統的建模和分析方法，并能運用于復雜測控工程問題的分析和研究。特別是針對工程問題，培養具備基本實驗基礎知識、鍛煉動手能力，能夠操作實驗裝置，安全進行相關實驗。

三、“自動控制原理”案例化教學實踐

（一）案例的選擇

在案例化教學中，項目的選擇是一個關鍵因素，所選項目與教學目標的關聯度、復雜度、質量高低都會直接影響到教學的效果。在選擇項目時要圍繞“自動控制原理”的教學目標，從提高學生對控制系統建立數學模型的能力、分析系統的能力和設計及校正控制系統的能力幾個方面來選擇合適的項目。學生在案例化教學過程中，能夠培養解決工程問題的興趣，進而為了解決工程問題而主動自發地學習該門課程的專業知識，掌握解決問題的途徑和方法，同時培養學生項目的組織管理能力以及團隊協作溝通能力。

基于以上的原則，選取“磁盤讀寫控制系統”項目作為本課的教學案例，實現“自動控制原理”時域部分的教學目標。該項目是一個典型的電機伺服控制系統，難度和大小適中，而且應用面非常廣泛。案例中的永磁直流電機控制在工業領域應用非常廣泛，對控制調節器要求較高，既體現了自動控制原理的教學目標，又能提高學生的工程實踐能力和綜合素質。在實際教學中，教師帶領學生對系統進行分析方法和總體設計，主要包括對系統結構框圖的建立、數學模型的建立、控制方案的確定、仿真實驗等。

（二）控制對象的物理特性及結構圖

由于磁盤可以方便有效地儲存信息，所以磁盤驅動器廣泛用于從便攜式計算機到大型計算機等各類計算機中，是工程問題和控制工程的一個重要應用實例。磁盤驅動器工作時使用讀寫頭讀取存儲在磁盤軌道上的數據，正常工作時磁盤自身轉速為1800～7200r/min，讀寫頭快速移動到磁盤表面，準確地定位在相應軌道上，應該能夠在50ms內從一個軌道移動到另一個軌道上，而且工作距離小于100nm。

分析系統發現影響控制精度的變量就是讀寫頭的位置，位置精度的初始指標是1μm。此外，讀寫頭減少了參數變化和外部振動對磁頭定位造成的影響。作用于磁盤驅動器的擾動包括物理振動、磁盤轉軸軸承的磨損和擺動，以及元器件老化引起的參數變化等。磁盤驅動器使用永磁直流電機使得讀寫臂旋動，讀寫頭安裝在滑動裝置上，而滑動裝置連接在讀寫臂上。構成曲部的彈性金屬片使得讀寫頭浮動于磁盤面上方100nm的間隙之間，貼片電阻讀寫頭讀取磁通量并把信號傳遞至放大器。

學生在了解系統的物理特性之后，應該建立對控制系統的概念，了解系統的組成，分析系統的工作原理，下一步要建立控制系統結構圖。磁盤驅動器系統通過控制器控制電機轉動，從而帶動磁頭準確、快速地定位于期望的磁道，以讀取正確的磁盤信息。該系統的輸入量是期望的磁頭位置，被控量是磁頭所在的實際位置，輸入量與被控量的偏差信號作為控制信號輸送給控制器。控制器是增益可調節的放大器，用以放大控制信號；執行機構是直流電機，驅動支撐臂和磁頭運動；測量元件是傳感器，用以測量被控量。建立的系統結構圖如圖1所示。

（三）系統的數學建模

現在假設系統讀寫準確，則傳感器的傳遞函數為H（s）=1。系統中的放大器采用線性比例放大器，永磁電機使用電樞控制直流電機的模型，磁盤驅動系統結構圖1可以轉為圖2所示。

查閱資料可知該系統的主要參數：支撐臂與磁頭的轉動慣量J=1（N·m·s2）/rad，摩擦系數f=20N·m·s/rad，放大器放大倍數ka=10～1000，電樞電阻R=1Ω，電機系數km=5N·m/A，電樞電感L=1mH。將上述數據代入圖2，得到系統最終結構圖如圖3所示。

根據圖3整理得，系統的開環傳遞函數為：

G（s）=ka·5000s（s+20）（s+1000）=ka·5000s3+1020s2+20000s

（四）系統的時域穩定性分析

由上式得到系統的閉環特征方程為D（s）=s3+1020s2+20000s+5000ka。由勞斯判據可得，系統穩定時的條件為0＜ka＜4080。

（五）系統動態性能分析

該系統的動態響應的品質要求為：超調量≤5%，調節時間≤0.5s，對于單位階躍干擾的最大響應絕對值≤5×10-3。

下面利用MATLAB軟件對系統性能進行分析。當N（s）=0時，令輸入為單位階躍R（s）=1/s，系統為Ⅰ型系統，系統輸出完全跟蹤輸入，穩態誤差為0，此時選擇不同的控制器的ka值，得到階躍響應曲線如圖4所示。當R（s）=0時，令干擾輸入為單位階躍N（s）=1/s，此時得到響應曲線如圖5所示。分析圖4發現，當ka=30或40時能夠滿足超調量和調節時間的要求，但是分析圖5發現，要求ka=40不滿足對于單位階躍干擾的最大響應絕對值≤5×10-3的要求，必須ka=50以上才可以。因此，為了全部滿足系統性能指標的要求，需要對系統進行改進。

（六）系統改進

為了滿足性能指標要求，分析之后決定加入速度反饋，系統結構如圖6所示，τ為微分時間常數。根據勞斯判據確保系統穩定時選取Ka=80、τ=0.04；此時輸入和干擾分別是單位階躍時響應曲線，如圖7和圖8所示，各項指標均能夠滿足系統的性能指標的要求。

結語

通過實施案例化教學，學生的學習積極性明顯提高，課堂參與度增強。調查顯示，超過80%的學生認為案例化教學有助于理解課程內容，提升了他們的分析和解決問題的能力。案例化教學在“自動控制原理”課程中的應用，能夠有效提升學生的學習興趣和實踐能力。未來，應繼續探索和完善案例化教學的實施策略，為新工科人才的培養貢獻力量。

參考文獻：

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基金項目：2022年度廣東省本科高校教學質量與教學改革工程項目——新工科背景下自動控制原理課程教學改革研究與實踐（752）；智能制造時代的多學科交叉新工科人才培養模式的研究與實踐（753）

作者簡介：李喜武（1971— ），男，漢族，吉林長春人，博士研究生，副教授，研究方向：載運工具智能監測與控制。