《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

孫昌躍，歐青立

(湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，湖南 湘潭411201)

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”是推進(jìn)我國(guó)高等工程教育改革，促進(jìn)高校培養(yǎng)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要的高級(jí)專(zhuān)門(mén)人才的重大舉措。因此，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量、培養(yǎng)創(chuàng)新型工程人才就成為工科類(lèi)高校教育目前面臨的重要任務(wù)［1］。我校是教育部批準(zhǔn)實(shí)施“卓越計(jì)劃”的高校，電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)是首批進(jìn)入該計(jì)劃的專(zhuān)業(yè)之一。為貫徹學(xué)校以社會(huì)需求為導(dǎo)向、以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量為目標(biāo)、主動(dòng)對(duì)接“四化兩型”建設(shè)戰(zhàn)略的人才需求和旨在培養(yǎng)具有“厚基礎(chǔ)、寬口徑、強(qiáng)適應(yīng)、有特長(zhǎng)”的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的指導(dǎo)思想，落實(shí)“卓越計(jì)劃”的要求，我們對(duì)現(xiàn)有電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的課程體系進(jìn)行了梳理和調(diào)整，以適應(yīng)工程能力素質(zhì)培養(yǎng)為主線的“卓越工程師”人才培養(yǎng)模式。其中，自動(dòng)控制原理是電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的主干課程之一，所涉及理論知識(shí)不僅是后續(xù)其它專(zhuān)業(yè)課的基礎(chǔ)，而且其教學(xué)效果關(guān)系本專(zhuān)業(yè)“卓越工程師”的預(yù)期能力培養(yǎng)，因此該課程教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 以教學(xué)目標(biāo)為中心的課程教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐

自動(dòng)控制原理涉及控制工程的理論與實(shí)踐，強(qiáng)調(diào)反饋控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用，是“卓越計(jì)劃”電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)最重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。除要求先修物理、高等數(shù)學(xué)等課程外，還要求具備拉普拉斯變換、線性代數(shù)等基礎(chǔ)，因此，相對(duì)缺乏理論知識(shí)與工程實(shí)踐的學(xué)生而言，其理論性和抽象性的特點(diǎn)決定了這門(mén)課程的難度。

《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)以理論講授為主，如何體現(xiàn)工程元素，使課程教學(xué)能更好地保證學(xué)生學(xué)習(xí)到“卓越工程師”所需的技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，我們從如下幾個(gè)方面進(jìn)行了初步的探索與實(shí)踐。

1．1 基于反饋機(jī)理的教學(xué)過(guò)程組織

如圖1 所示，《自動(dòng)控制原理》課程按照閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋機(jī)理組織教學(xué)［2-3］。每一章開(kāi)始講授時(shí)就規(guī)定了本章節(jié)結(jié)束時(shí)學(xué)生應(yīng)該掌握的基本知識(shí)點(diǎn)和應(yīng)取得學(xué)習(xí)效果，使學(xué)生有明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)。每一章基本概念和基本原理講解后，結(jié)合對(duì)精心挑選的工程實(shí)例分析，進(jìn)一步闡述基本概念和基本原理應(yīng)用，不斷強(qiáng)化學(xué)生對(duì)基本概念和基本原理的理解、掌握及工程應(yīng)用意識(shí)，并且每一章結(jié)尾對(duì)本章重點(diǎn)做簡(jiǎn)要的總結(jié)，以強(qiáng)調(diào)本章所涉及的主要問(wèn)題和結(jié)論。其次，根據(jù)課堂測(cè)試、作業(yè)和實(shí)驗(yàn)的完成情況，通過(guò)及時(shí)調(diào)整課程講授進(jìn)度、安排習(xí)題課和討論課等多種措施，幫助學(xué)生提高學(xué)習(xí)效果?？傊ㄟ^(guò)給學(xué)生設(shè)定每一章學(xué)習(xí)目標(biāo)、根據(jù)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)結(jié)果和及時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度以及不斷改進(jìn)教學(xué)方法，使整個(gè)教學(xué)過(guò)程構(gòu)成以促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)效果為目的的閉環(huán)控制，確保教學(xué)目標(biāo)的有效落實(shí)。

圖1 教學(xué)過(guò)程的閉環(huán)控制

1．2 定性分析與定量分析相結(jié)合的教學(xué)思路

控制系統(tǒng)的定量分析顯然是重要的，但對(duì)問(wèn)題及其分析方法的定性或直觀理解也是學(xué)生構(gòu)建工程設(shè)計(jì)思維所需的關(guān)鍵因素。鑒于人們對(duì)新知識(shí)、現(xiàn)象的認(rèn)知，總是遵循從定性到定量、再到定性的這一規(guī)律［3］。因此，只要有可能，在進(jìn)行定量分析和設(shè)計(jì)之前，都要定性地討論新概念，以期在學(xué)生已有的知識(shí)基礎(chǔ)上建構(gòu)新知識(shí)。

例如在討論基于根軌跡的校正方法時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生觀察附加開(kāi)環(huán)零、極點(diǎn)對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)零、極點(diǎn)分布的影響所導(dǎo)致的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化情況，使學(xué)生能在直觀上理解與把握根軌跡校正方法的機(jī)理。又如討論開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的Bode圖時(shí)，將Bode 圖的低頻段、中頻段和高頻段與相應(yīng)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)性能和噪聲衰減性能聯(lián)系起來(lái)，并結(jié)合對(duì)二階欠阻尼系統(tǒng)定量分析所建立的時(shí)域性能指標(biāo)與頻域性能指標(biāo)的關(guān)系(如阻尼系數(shù)與相位裕度、調(diào)節(jié)時(shí)間與幅值穿越頻率的函數(shù)關(guān)系)，為基于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)頻率特性的校正方法奠定直觀的工程設(shè)計(jì)思路?？傊谝胄赂拍?、方法時(shí)，注重基本概念講解和嚴(yán)格推理及數(shù)學(xué)證明相結(jié)合，以符合人們對(duì)新知識(shí)、現(xiàn)象的認(rèn)知規(guī)律來(lái)引導(dǎo)學(xué)生掌握整個(gè)課程的分析、學(xué)習(xí)思路。

1．3 仿真實(shí)驗(yàn)與硬件實(shí)驗(yàn)結(jié)合的教學(xué)方法

如前所述，自動(dòng)控制原理課程涉及的數(shù)理知識(shí)較多，對(duì)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)和抽象思維能力的要求較高。為了促進(jìn)學(xué)生對(duì)基本概念和基本原理的正確理解與把握，我們利用湖南科技大學(xué)國(guó)家電工電子實(shí)驗(yàn)示范中心的現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝備，整合了一組自動(dòng)控制原理物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。由于先修課程《電路原理》和《電子技術(shù)》奠定的基礎(chǔ)，主要由運(yùn)算放大器、電阻、電容和電感等基本器件組成的物理實(shí)驗(yàn)(如圖2 所示)，不僅節(jié)省了學(xué)生實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、儀器儀表熟悉的時(shí)間，更為關(guān)鍵的是電工電子實(shí)驗(yàn)中心開(kāi)放式管理模式為學(xué)生自主開(kāi)展實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)靈活、寬松的學(xué)習(xí)環(huán)境，便于學(xué)生以各自認(rèn)知模式來(lái)探索新領(lǐng)域和構(gòu)建新知識(shí)。

圖2 二階系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M電路

圖3 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面

物理實(shí)驗(yàn)以其直觀、感性形式為學(xué)生理解自動(dòng)控制概念以及控制系統(tǒng)的分析方法和實(shí)際應(yīng)用提供了載體，但物理實(shí)驗(yàn)的使用畢竟受時(shí)間、安全等因素的限制而缺乏隨時(shí)性。為了彌補(bǔ)物理實(shí)驗(yàn)的缺陷，我們?cè)谡n程教學(xué)中引入了仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。如圖3 所示，仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)除提供時(shí)域分析、根軌跡分析、頻率分析、控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)計(jì)算功能外，還涵蓋控制系統(tǒng)的校正、PID 調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和參數(shù)整定、離散系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)功能。學(xué)生不僅可以通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證每章所涉及的概念和基本原理，還可以采用“what if”探討學(xué)習(xí)來(lái)觀察系統(tǒng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)變化時(shí)所產(chǎn)生的結(jié)果。仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配置要求低，能獨(dú)立運(yùn)行，特別適合物理實(shí)驗(yàn)前后的預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)任務(wù)和問(wèn)題求解。此外，仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包容不同的學(xué)習(xí)方式，實(shí)驗(yàn)可以重復(fù)，便于迭代學(xué)習(xí)和隨時(shí)使用，學(xué)生可以利用課外時(shí)間來(lái)進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)和自我學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)。另外，仿真實(shí)驗(yàn)為抽象概念、原理的動(dòng)態(tài)過(guò)程形象化提供了條件，有助于課堂教學(xué)效果的提高。

總之，在傳統(tǒng)書(shū)本及理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)的良好交互性與實(shí)踐性，幫助學(xué)生更形象地理解概念;通過(guò)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，引入真實(shí)的物理系統(tǒng)，借助實(shí)際的應(yīng)用來(lái)闡述理論，以期在加深學(xué)生理論理解的同時(shí)，提高學(xué)生的創(chuàng)新、動(dòng)手與工程實(shí)踐能力。

1．4 強(qiáng)調(diào)案例研究和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

每章教學(xué)的最后，安排一、兩個(gè)案例作為學(xué)生的課外作業(yè)。其中，一些案例源自自動(dòng)控制理論的實(shí)際工程應(yīng)用。通過(guò)對(duì)實(shí)際工程案例的分析與研究，學(xué)生有機(jī)會(huì)將抽象理論與實(shí)際工程應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)，從而激發(fā)專(zhuān)業(yè)興趣。作為貫穿整個(gè)課程教學(xué)的研究案例——單軸倒立擺系統(tǒng)具有非線性、強(qiáng)耦合、多變量和本質(zhì)不穩(wěn)定的特性，其控制問(wèn)題能有效地反映諸如穩(wěn)定性、魯棒性、隨動(dòng)性以及跟蹤性等許多控制理論的關(guān)鍵概念，是檢驗(yàn)各種控制理論的理想模型。通過(guò)對(duì)單軸倒立擺系統(tǒng)研究，學(xué)生可以進(jìn)行建模、模型線性化、穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能及穩(wěn)定性分析。借助于仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可對(duì)單軸倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域法、頻域法和PID 的控制算法設(shè)計(jì)和各種控制器的性能比較。而我校自動(dòng)控制專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室配置的單軸倒立擺控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，為學(xué)生進(jìn)行各種控制器的實(shí)物驗(yàn)證也提供了條件?？傊?，這種將單軸倒立擺為背景的案例研究貫穿于每章的設(shè)置方式，其目的是把整個(gè)課程所涉及的分析方法和設(shè)計(jì)方法有機(jī)地串聯(lián)起來(lái)，從整體上培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用知識(shí)的能力。

1．5 多種教學(xué)手段相結(jié)合的教學(xué)環(huán)境

為了有效地提高教學(xué)效果，我們充分利用學(xué)校的電化教學(xué)環(huán)境，制作電子課件，采用電視教學(xué)片、PPT、計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件、Matlab 仿真工具等多種形式進(jìn)行教學(xué)，發(fā)揮多媒體手段的優(yōu)勢(shì)。另外，借助學(xué)校的教學(xué)資源網(wǎng)平臺(tái)，上載每章的練習(xí)、帶參考答案的自測(cè)題以及一個(gè)或多個(gè)案例研究資料，供學(xué)生課外學(xué)習(xí)和自我學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)。通過(guò)網(wǎng)上教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生可以提交作業(yè)、在線測(cè)試、課程討論與疑問(wèn)咨詢。通過(guò)網(wǎng)上課外答疑、輔導(dǎo)等方式形成教與學(xué)的互動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2 結(jié) 語(yǔ)

以“卓越工程師”培養(yǎng)計(jì)劃為藍(lán)本，按照“卓越工程師”需要的知識(shí)能力及素質(zhì)要求和人才培養(yǎng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，我們從教學(xué)思路、教學(xué)組織、教學(xué)方法、教學(xué)手段等方面對(duì)《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)改革進(jìn)行了初步地探討和實(shí)踐。課程教學(xué)設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)教學(xué)目標(biāo)的反饋閉環(huán)控制，教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)專(zhuān)業(yè)方向、強(qiáng)化工程實(shí)踐，教學(xué)組織便于理論和實(shí)踐教學(xué)的同步推進(jìn)與相互支持，教學(xué)手段和考核方法有助于教學(xué)水平和教學(xué)效果的提高。通過(guò)這種課程教學(xué)設(shè)計(jì)，旨在夯實(shí)學(xué)生的理論基礎(chǔ)，強(qiáng)化學(xué)生理論聯(lián)系工程實(shí)際的意識(shí)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，提高教學(xué)效果，確保學(xué)生獲得未來(lái)發(fā)展的基礎(chǔ)知識(shí)。

［1］林 ?。嫦颉白吭焦こ處煛迸囵B(yǎng)的課程體系和教學(xué)內(nèi)容改革［J］．高等工程教育研究，2011(5):1 -9．

［2］Burke D．Strategies for using feedback students bring to higher education［J］． Assessment ＆ Evaluation in Higher Education，2009，34 (1):41 -50．

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