彭小芳?方衛(wèi)紅?劉良兵?鄔曉嵐

摘要：分析了“自動(dòng)控制原理”的特點(diǎn)和教學(xué)中存在的問題，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)三個(gè)方面進(jìn)行了教學(xué)改革，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。通過教學(xué)實(shí)踐表明，這一改革取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理；水位控制系統(tǒng)；工程實(shí)例

作者簡介：彭小芳（1982-），女，重慶人，中國人民解放軍后勤工程學(xué)院，講師；方衛(wèi)紅（1972-），男，江西廣豐人，中國人民解放軍后勤工程學(xué)院，副教授。（重慶 401311）

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1007-0079（2013）07-0084-02

“自動(dòng)控制原理”是高校自動(dòng)化類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，在整個(gè)專業(yè)教學(xué)體系中起著承上啟下的重要作用，是整個(gè)專業(yè)知識(shí)框架構(gòu)建的基礎(chǔ)，也是學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程不可缺少的先行基礎(chǔ)課。該課程不僅對工程技術(shù)具有指導(dǎo)性，而且對培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力，學(xué)習(xí)建立理論聯(lián)系實(shí)際的科學(xué)觀點(diǎn)以及提高其分析問題的綜合能力都有著重要的作用。學(xué)生深入理解掌握“自動(dòng)控制原理”課程的概念、思想和方法，對于其日后解決實(shí)際控制工程問題、掌握控制理論其他學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)都是必備的基礎(chǔ)。

該課程具有內(nèi)容多、理論性強(qiáng)、涉及知識(shí)面廣等特點(diǎn)，有一定的深度和學(xué)習(xí)難度。在學(xué)習(xí)過程中學(xué)生容易感到枯燥乏味，產(chǎn)生厭學(xué)情緒，因?yàn)樗麄兏Ｍ麑W(xué)習(xí)一些工作后立馬就能用的學(xué)科。在教授過程中教師為突出對方法的講解，則易過分強(qiáng)調(diào)理論推導(dǎo)與分析，而忽略工程應(yīng)用，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)該課程后會(huì)做題了卻與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)。為了提高教學(xué)質(zhì)量，有必要對該課程進(jìn)行教學(xué)改革。

一、精選教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量

“自動(dòng)控制原理”是一門理論性、實(shí)踐性和綜合性都比較強(qiáng)的課程，是具有一定深度和學(xué)習(xí)難度的課程，內(nèi)容多、學(xué)時(shí)少的矛盾非常突出。[1]本校對該課程的安排總學(xué)時(shí)是66學(xué)時(shí)，其中實(shí)驗(yàn)12學(xué)時(shí)。授課內(nèi)容主要包括自動(dòng)控制的一般概念、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、線性系統(tǒng)的時(shí)域分析與校正、根軌跡法、線性系統(tǒng)的頻域分析與校正。相對于課程標(biāo)準(zhǔn)要求的內(nèi)容來說，課時(shí)安排較少，因此出現(xiàn)了課時(shí)非常緊張，上課節(jié)奏過快，習(xí)題課少的問題，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果不好，普遍感到所學(xué)內(nèi)容不易消化。如何在有限的課時(shí)內(nèi)讓學(xué)生熟練掌握控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法，精選教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)對學(xué)生的能力培養(yǎng)，成為本課程改革的關(guān)鍵。

首先，要根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和該專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)要求，精選出教學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容。對教學(xué)大綱中的重點(diǎn)內(nèi)容不僅要重點(diǎn)講解，而且要講深講透，起到舉一反三的作用。對一些基本概念、基本原理和基本方法要讓學(xué)生很清晰地知道其工程意義。而對有些在以前課程中講過的內(nèi)容，在課堂上只對內(nèi)容的應(yīng)用之處進(jìn)行講授，略去重復(fù)內(nèi)容。對于教學(xué)大綱中規(guī)定了解內(nèi)容和一般性了解內(nèi)容，要少講或者不講，作為自學(xué)內(nèi)容讓學(xué)生在課下自學(xué)。[2]

其次，要使學(xué)生將本課程內(nèi)容串聯(lián)起來，熟悉各章節(jié)之間、各種方法之間的內(nèi)在聯(lián)系及連貫性。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往并不清楚各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，以及各個(gè)章節(jié)之間的因果關(guān)系，總感覺“不識(shí)廬山真面目”，學(xué)習(xí)起來很費(fèi)力。所以在教學(xué)過程中，教師應(yīng)當(dāng)理清知識(shí)脈絡(luò)。[1]課程內(nèi)容設(shè)計(jì)中采用“一縱三橫”的設(shè)計(jì)思路，具體來說，“一縱”就是在課程講授中要求貫徹自動(dòng)控制系統(tǒng)的建模、分析及設(shè)計(jì)方法這條主線，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)工程應(yīng)用背景，突出能力培養(yǎng)。“三橫”就是在方法講授中要求強(qiáng)調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)字是分析的核心，也是設(shè)計(jì)的歸宿。在對該課程進(jìn)行理論分析基礎(chǔ)上，注重強(qiáng)調(diào)分析和設(shè)計(jì)的方法及其工程意義及對其實(shí)際應(yīng)用的闡述。

二、工程實(shí)例教學(xué)法的應(yīng)用

該課程理論性強(qiáng)，教師在教的過程中往往強(qiáng)調(diào)其邏輯性及理論體系性，而學(xué)生在學(xué)的過程中卻常常忙于背公式、做習(xí)題，將其當(dāng)成更為高深難懂的數(shù)學(xué)課程。為改善這種狀況，突顯“自動(dòng)控制原理”課程與工程實(shí)際緊密聯(lián)系的特點(diǎn)，本院引入工程實(shí)例進(jìn)行教學(xué)，即以一個(gè)工程實(shí)例貫穿“自動(dòng)控制原理”授課全過程。工程實(shí)例式教學(xué)法采用由淺入深的方式，在授課之初教師提出工程要求和設(shè)計(jì)目標(biāo)，待相關(guān)章節(jié)理論講解之后，就要求學(xué)生完成階段設(shè)計(jì)目標(biāo)，這樣層層遞進(jìn)以項(xiàng)目形式使公式形象化，用實(shí)踐促進(jìn)理論應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用意識(shí)，強(qiáng)化實(shí)踐動(dòng)手能力。[3]本課程在教學(xué)過程中主要以水箱水位控制為主要實(shí)例，貫穿該課程主要內(nèi)容。

第一章為自動(dòng)控制的一般概念，應(yīng)要求學(xué)生重點(diǎn)掌握閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理，能夠繪制系統(tǒng)方框圖，授課過程中著重于水位控制系統(tǒng)的工作原理分析及方框圖繪制方法，在此基礎(chǔ)上舉一反三地引入其他控制系統(tǒng)。水位控制系統(tǒng)的原理如圖1所示：

第二章內(nèi)容為建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，首先建立單容水箱、閥門、液位計(jì)等設(shè)備的時(shí)域數(shù)學(xué)模型，然后以水位控制系統(tǒng)為例，建立系統(tǒng)的微分方程。為了計(jì)算簡單引入傳遞函數(shù)，此時(shí)在第一章的方框圖中各設(shè)備中填入相應(yīng)的傳遞函數(shù)，即數(shù)學(xué)模型的第三種方框圖表示法，由此引入方框圖如何求傳遞函數(shù)。

第三章為系統(tǒng)時(shí)域分析法，單容水箱即為典型的一階系統(tǒng)，其方框圖如圖2所示，如果直接采用比例控制，可以改善系統(tǒng)的過渡過程，但是系統(tǒng)確存在穩(wěn)態(tài)誤差。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，即引入積分控制，系統(tǒng)則由一階系統(tǒng)變成二階系統(tǒng)，然后對二階系統(tǒng)進(jìn)行性能分析（也可以通過雙容水箱控制系統(tǒng)進(jìn)行分析）。通過前面的學(xué)習(xí)，可以知道穩(wěn)態(tài)誤差與輸入信號有關(guān)，與積分環(huán)節(jié)有關(guān)，在穩(wěn)態(tài)誤差一節(jié)中就可進(jìn)行詳細(xì)分析，通過前面水位控制系統(tǒng)來驗(yàn)證穩(wěn)態(tài)誤差法的應(yīng)用。

最后，要求學(xué)生可以應(yīng)用根軌跡法和頻域法對系統(tǒng)進(jìn)行定性及定量分析，并實(shí)現(xiàn)控制器的參數(shù)選擇，如比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)等。PID控制器廣泛應(yīng)用于很多工業(yè)部門，適用性較強(qiáng)，到目前為止，PID控制是最廣泛應(yīng)用的基本控制方式。此處可以以三容水箱水位控制系統(tǒng)為例，進(jìn)行PID控制算法的參數(shù)整定，使學(xué)生熟悉PID控制算法及其頻域法和根軌跡法在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析中的應(yīng)用。

講授過程中，教學(xué)的目標(biāo)不是教會(huì)一個(gè)例子，而是讓學(xué)生通過例子學(xué)會(huì)相關(guān)的分析與設(shè)計(jì)方法。以由淺入深的工程實(shí)例提高學(xué)生對課程內(nèi)容的認(rèn)知熱情，通過一個(gè)工程案例貫穿始終，讓學(xué)生能夠?qū)W以致用，能夠真正做到理論聯(lián)系實(shí)際，提高學(xué)生分析問題及解決問題的能力。

三、改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)探討

“自動(dòng)控制原理”課程理論性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)是理解和消化課程內(nèi)容的重要途徑。目前許多高校還處于模擬實(shí)驗(yàn)階段，主要通過自控實(shí)驗(yàn)箱和Matlab軟件仿真來完成實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)。

自控實(shí)驗(yàn)箱利用集成封閉的實(shí)驗(yàn)箱，將相應(yīng)的有源網(wǎng)絡(luò)模塊連接成典型環(huán)節(jié)或系統(tǒng)，再施加典型信號，通過示波器觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。雖然這種方式可以在一定程度上提高學(xué)生的動(dòng)手能力，加深其對課堂所學(xué)內(nèi)容的理解，但還存在著一些弊端：學(xué)生只是依據(jù)給定的電路來連接，對于控制系統(tǒng)的參數(shù)不知如何調(diào)整，很容易造成硬件電路的損壞；實(shí)驗(yàn)設(shè)備高度集成化，可擴(kuò)展性差，可改參數(shù)有限，使得綜合性和設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)難以開展；實(shí)驗(yàn)內(nèi)容形式老化，不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求和促進(jìn)課程理論教學(xué)的目的。[4]

為克服實(shí)驗(yàn)箱的不足，許多高校將Matlab仿真與模擬實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合起來，既能克服傳統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)的局限性，又培養(yǎng)了學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)代化的工具進(jìn)行系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)及解決實(shí)際問題能力，不僅讓學(xué)生掌握Matlab在控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，而且可以使學(xué)生將實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)合，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)中存在的問題。

雖然將Matlab仿真與模擬實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合為后續(xù)課程及以后從事相關(guān)研究工作打下了基礎(chǔ)，但其仍然處于模擬實(shí)驗(yàn)階段，學(xué)生學(xué)習(xí)完該課程仍不知道如何將理論與實(shí)際工程應(yīng)用相結(jié)合。因此，本文將實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)分為三個(gè)部分：實(shí)驗(yàn)箱、Matlab仿真和過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)箱與Matlab仿真結(jié)合實(shí)驗(yàn)：本校采用“THKKL-5型控制理論-計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”實(shí)驗(yàn)箱，選擇性地開設(shè)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，即典型環(huán)節(jié)的電路模擬和系統(tǒng)頻率特性的測量。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，通過Matlab進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，看是否存在不一致的狀況，并分析原因。

Matlab仿真實(shí)驗(yàn)：包括控制系統(tǒng)的根軌跡及其性能分析，Bode圖及其頻域分析。

過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)開設(shè)：依托過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，水位控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、水位控制系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)及參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響、PID控制器的設(shè)計(jì)。

教學(xué)實(shí)踐證明，引入工程實(shí)例到“自動(dòng)控制原理”課程實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，讓學(xué)生知道學(xué)好“自動(dòng)控制原理”對科學(xué)研究和工程應(yīng)用都有著十分重要的作用。在往年的教學(xué)過程中，學(xué)生不知道學(xué)這么課程的意義，認(rèn)為只要會(huì)做題就可以。增加工程性實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生明白了“自動(dòng)控制原理”課程的實(shí)際意義，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情，提高了學(xué)習(xí)效率和理論聯(lián)系實(shí)際的能力加強(qiáng)了對學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

四、結(jié)束語

在“自動(dòng)控制原理”課程改革過程中，主要從如何選擇教學(xué)內(nèi)容、提高教學(xué)效果、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率及分析問題、解決問題的能力方面入手，優(yōu)化了課程教學(xué)內(nèi)容，并在教學(xué)過程中由淺入深地引入了工程案例法，并增加了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)單元，打破了傳統(tǒng)的純模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。該方法在教學(xué)實(shí)踐中取得了較好的效果。教學(xué)改革是一個(gè)漫長的過程，靠課堂教學(xué)提高教學(xué)效果是一個(gè)方面，如何提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與自學(xué)能力也是關(guān)鍵，因此需在教學(xué)中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提高教學(xué)效果及學(xué)生學(xué)以致用的能力。

參考文獻(xiàn)：

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[3]趙肖宇，劉坤，梁清梅.一個(gè)工程實(shí)例貫穿“自動(dòng)控制原理”教學(xué)過程[J].牡丹江大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，（2）：180-181.

[4]結(jié)碩，韓光勝.Matlab在自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，（2）：95-97.

（責(zé)任編輯：宋秀麗）