孫麗穎 張 健 楊匯軍

遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 遼寧錦州 121001

自動(dòng)控制理論課程教學(xué)改革的研究與實(shí)踐

孫麗穎 張 健 楊匯軍

遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 遼寧錦州 121001

針對(duì)自動(dòng)控制理論課程的特點(diǎn)與本科院校教學(xué)的現(xiàn)狀，圍繞培養(yǎng)“工程實(shí)踐”型人才培養(yǎng)模式，對(duì)該課程的教學(xué)改革進(jìn)行了研究與嘗試。更新和優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容，采用多媒體、啟發(fā)式教學(xué)、微課教學(xué)等不同的教學(xué)手段，強(qiáng)化培養(yǎng)工程實(shí)踐能力；同時(shí)增加實(shí)驗(yàn)技能測(cè)試，引入工程中常用的控制對(duì)象，增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。

教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法；MATLAB與微課教學(xué)；實(shí)驗(yàn)技能測(cè)試

自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論與方法，為我院重要的一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)必修課，也是其他電類(lèi)、機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)主干課程，理論性較強(qiáng)。其課程涉及數(shù)學(xué)、電子、機(jī)械等多門(mén)學(xué)科知識(shí)，并且與工程實(shí)際聯(lián)系緊密。課程主要研究如何建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)的時(shí)域和頻域分析方法以及為改善系統(tǒng)性能的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與綜合等內(nèi)容。隨著控制理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，新的控制方法和控制手段也越來(lái)越多，如何適應(yīng)這方面的變化以及企業(yè)人才培養(yǎng)需求，我們從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、題庫(kù)建設(shè)以及考核方法等幾方面進(jìn)行改革與實(shí)踐。

1 更新和優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

結(jié)合我校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)、電氣工程及其自動(dòng)化以及測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)的本科教學(xué)需要，以系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)為主線，以培養(yǎng)工程實(shí)踐能力為目標(biāo)，課題組教師研究一系列新的課程教學(xué)大綱、實(shí)驗(yàn)大綱和考核大綱，更新和優(yōu)化了教學(xué)內(nèi)容。

在理論教學(xué)內(nèi)容上，以系統(tǒng)建模、線性系統(tǒng)的時(shí)域與頻域分析、線性系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)為主線，淡化理論推導(dǎo)，適當(dāng)?shù)叵魅鯌?yīng)用較少的根軌跡部分內(nèi)容的學(xué)時(shí)，強(qiáng)化工程應(yīng)用，突出基本內(nèi)容教學(xué)的同時(shí)，適當(dāng)增加包括PID控制器在內(nèi)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有關(guān)內(nèi)容；針對(duì)各專(zhuān)業(yè)對(duì)該課程內(nèi)容的需求，對(duì)離散系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)作了部分調(diào)整，我校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)依然保留了這兩部分內(nèi)容，而電氣工程及其自動(dòng)化和測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)刪減了部分內(nèi)容。這樣對(duì)側(cè)重于自動(dòng)控制的學(xué)生能夠保證樹(shù)立一個(gè)完整的控制理論體系，而對(duì)于其他兩個(gè)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，講清基本概念，重點(diǎn)是理清思路、了解方法、增強(qiáng)系統(tǒng)性，以備后續(xù)課所需或進(jìn)一步學(xué)習(xí)之用。

協(xié)調(diào)經(jīng)典與現(xiàn)代控制理論、經(jīng)典控制理論與其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程內(nèi)容的關(guān)系，適時(shí)地把一些新內(nèi)容、新的教學(xué)研究成果、新的工程應(yīng)用實(shí)例融合到理論教學(xué)內(nèi)容中，以保證課程內(nèi)容基礎(chǔ)性與先進(jìn)性相結(jié)合，并突出工程實(shí)踐能力培養(yǎng)。例如，在數(shù)學(xué)建模時(shí)，結(jié)合電氣專(zhuān)業(yè)發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組建立以電機(jī)轉(zhuǎn)速為輸出，以干擾力矩為輸入的數(shù)學(xué)模型。在講系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合測(cè)控專(zhuān)業(yè)溫度對(duì)象的PID調(diào)節(jié)，講解時(shí)針對(duì)實(shí)際對(duì)象精度的控制要求，設(shè)計(jì)串聯(lián)滯后超前校正裝置，設(shè)計(jì)校正網(wǎng)絡(luò)的電路參數(shù)。這樣讓學(xué)生既理解了理論知識(shí)又熟悉了理論內(nèi)容的實(shí)踐應(yīng)用。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容上，以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容大多是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容陳舊，不利于學(xué)生創(chuàng)新思維及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因而，在驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，綜合考慮知識(shí)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，增加設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)。為此,建立分層次的實(shí)驗(yàn)體系，即課內(nèi)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)3個(gè)層次，學(xué)時(shí)按3:3:4分配。同時(shí)增加教學(xué)學(xué)時(shí)外的創(chuàng)新性開(kāi)放實(shí)驗(yàn)課題，以工程應(yīng)用案例為主，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立分析實(shí)驗(yàn)任務(wù)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)新方案、整理分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，鍛煉了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新能力，以全面提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力、知識(shí)綜合能力、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

實(shí)際運(yùn)作中，針對(duì)理論教學(xué)中一階系統(tǒng)或者慣性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)分析，并結(jié)合我校過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室中的單容水箱對(duì)象，建立一個(gè)帶有容量滯后的一階對(duì)象數(shù)學(xué)模型，可設(shè)置為創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生做以下幾方面工作：一是根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置的組成，搭建液位開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)；二是能設(shè)置輸入信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)器和閥門(mén)施加控制水箱對(duì)象的進(jìn)水量；三是通過(guò)組態(tài)軟件觀察該對(duì)象的輸出曲線；四是根據(jù)輸出曲線，測(cè)試相關(guān)參數(shù)，得到一階對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。這樣可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中感受數(shù)學(xué)模型的實(shí)際意義以及建立的方法。

2 采用豐富的教學(xué)手段

自動(dòng)控制理論對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)具有一定的要求，基礎(chǔ)差的學(xué)生在學(xué)習(xí)中會(huì)感到有一定的困難，從而產(chǎn)生畏難情緒，如何改革教學(xué)手段，簡(jiǎn)化學(xué)習(xí)過(guò)程是課程改革的關(guān)鍵。

第一，采用多媒體技術(shù)。自動(dòng)控制理論課堂教學(xué)過(guò)程中，板書(shū)教學(xué)盡管有些枯燥還是有一定優(yōu)勢(shì)，因此采用多媒體教學(xué)與板書(shū)教學(xué)相結(jié)合的方式。在教學(xué)過(guò)程中，有選擇地增加部分多媒體課件，嘗試增加課堂實(shí)踐內(nèi)容，將其與傳統(tǒng)教學(xué)手段相結(jié)合，使學(xué)生在課堂中，體會(huì)各部分內(nèi)容的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合與意義，彌補(bǔ)枯燥理論的索然無(wú)味，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂的教學(xué)質(zhì)量。例如，在講述建立控制系統(tǒng)某一對(duì)象的數(shù)學(xué)模型時(shí)，把實(shí)際的溫度、液位、壓力等自動(dòng)控制系統(tǒng)以課件形式給出，然后結(jié)合工藝過(guò)程，說(shuō)明對(duì)象的輸入、輸出變量、可能存在的干擾，分析原理，然后建立微分方程，最后給出傳遞函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，這樣學(xué)生可以輕松地接受所講內(nèi)容，課程難易指數(shù)大大降低。課件可以分別設(shè)置在時(shí)域階躍響應(yīng)分析、穩(wěn)定性分析、穩(wěn)態(tài)誤差分析、根軌跡分析、頻率特性分析以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)等相關(guān)內(nèi)容。

第二，采用預(yù)留作業(yè)的啟發(fā)式教學(xué)方法，適時(shí)開(kāi)展課堂討論，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。根據(jù)每個(gè)章節(jié)的具體情況，靈活采用多種不同的教學(xué)方式與手段，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)拓思維，激發(fā)學(xué)生的潛能。如控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能指標(biāo)分析是時(shí)域分析、根軌跡分析與頻域分析的共性?xún)?nèi)容，可以在第一章講解系統(tǒng)的控制要求時(shí)，說(shuō)明穩(wěn)定性分析的重要性和性能指標(biāo)評(píng)價(jià)方法，并預(yù)留思考問(wèn)題，讓學(xué)生帶著問(wèn)題學(xué)習(xí)各章內(nèi)容，并在每章都進(jìn)行歸納總結(jié)，最后在課程結(jié)課后，提交大作業(yè)：要求以一個(gè)典型的實(shí)際系統(tǒng)為例，采用不同的方法對(duì)比分析其穩(wěn)定性以及性能指標(biāo)。通過(guò)總結(jié)提煉，融會(huì)貫通，使學(xué)生全面地理解了課程內(nèi)容，也降低了課程的難易指數(shù)，從而提高了教學(xué)效果和教學(xué)質(zhì)量。

第三，建立網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，推行微課教學(xué)。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)不受時(shí)間和地點(diǎn)的限制，可以有效地實(shí)現(xiàn)資源共享，而微課教學(xué)是一種新的靈活教學(xué)形式，依托于網(wǎng)絡(luò)，是課堂教學(xué)的有益補(bǔ)充。目前網(wǎng)絡(luò)非常發(fā)達(dá)，學(xué)生上網(wǎng)非常方便。把課程中一些重要的知識(shí)點(diǎn)和難點(diǎn)，結(jié)合MATLAB軟件演示功能，做成一個(gè)個(gè)小微課，供學(xué)生在課后自主利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)。例如，二階系統(tǒng)的時(shí)域階躍響應(yīng)分析中，研究阻尼系數(shù)的取值對(duì)階躍響應(yīng)的影響時(shí)，采用MATLAB軟件，編寫(xiě)一段小程序，可得到系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，通過(guò)改變阻尼系數(shù)的設(shè)計(jì)參數(shù)，響應(yīng)曲線不同，可以很直觀地得到不同阻尼下的階躍響應(yīng)曲線，并把這部分內(nèi)容合理地制作成短小的微課。可制成微課的知識(shí)點(diǎn)包括：(1)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制的區(qū)別；(2)數(shù)學(xué)模型部分：電網(wǎng)絡(luò)和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)建立模型，結(jié)構(gòu)圖化簡(jiǎn)與梅遜公式等；(3)時(shí)域分析部分：不同時(shí)間常數(shù)下的一階系統(tǒng)響應(yīng)，二階系統(tǒng)不同阻尼系數(shù)對(duì)階躍響應(yīng)的影響，勞斯判據(jù)的應(yīng)用等；(4)根軌跡分析：增加零極點(diǎn)對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，零度與常規(guī)根軌跡的區(qū)別，參數(shù)根軌跡中參數(shù)變化對(duì)形狀的影響等；(5)頻域分析部分：如何由各個(gè)環(huán)節(jié)的伯德圖構(gòu)成系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)伯德圖，如何利用奈氏曲線判斷穩(wěn)定性等；(6)系統(tǒng)校正部分：校正前后的伯德圖對(duì)比等內(nèi)容。各微課短片傳至網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，并在平臺(tái)上設(shè)置互動(dòng)留言板，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)與微課教學(xué)，增強(qiáng)課外學(xué)習(xí)效果。

微課不失為課堂教學(xué)的靈活補(bǔ)充，將MATLAB仿真演示引入微課的短小教學(xué)中，增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)抽象理論的感性認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的興趣與實(shí)踐能力。

3 建立完善的試題庫(kù)

本課程從2010年，歷時(shí)5年建立了完善的的試題庫(kù)，已建成40套試題。首先制定了考試大綱，規(guī)定了各知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，并說(shuō)明了題型分類(lèi)與比例。試題題型包括有填空題、選擇題、計(jì)算分析題、證明題、作圖題、簡(jiǎn)答題等。試題難度分為：(1)基本題，反映教學(xué)的基本內(nèi)容和基本要求；(2)中等難度題，是稍有變化的基本題；(3)難題，具有一定的綜合性、復(fù)雜性和靈活性。在考核大綱中明確規(guī)定了理論考核內(nèi)容，并規(guī)定了試題難度所占比例，其中基本題占15%～30%，中等難度占40%～60%，難題或提高題占15%～30%。

課程考試中依據(jù)抽題規(guī)則，初步實(shí)現(xiàn)了考教分離。 試題庫(kù)運(yùn)行中，每年根據(jù)授課對(duì)象的學(xué)習(xí)與答題情況，課題組教師不斷研討與調(diào)研，同時(shí)參照每年收集到的試題素材，包括考研各高校的試題以及相關(guān)資料，不斷豐富試題庫(kù)。從開(kāi)始制定試題庫(kù)，保證了每年至少增加并更新五套試題，預(yù)計(jì)建成試題庫(kù)50套。

在近幾年的教學(xué)中，由于試題庫(kù)的建成，激勵(lì)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，學(xué)生已形成了自己熟悉大綱并按知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)的風(fēng)氣，實(shí)施效果較好。

4 增加實(shí)驗(yàn)技能測(cè)試 強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)

自動(dòng)控制理論以教學(xué)理論教學(xué)為主，實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效增加學(xué)生對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用的認(rèn)識(shí)，因襲增加實(shí)驗(yàn)技能測(cè)試，以強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

實(shí)驗(yàn)技能測(cè)試主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)考核，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目主要有典型環(huán)節(jié)的模擬研究、二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分析、頻率特性測(cè)試以及控制系統(tǒng)校正設(shè)計(jì)4個(gè)項(xiàng)目。根據(jù)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的配置，設(shè)置實(shí)驗(yàn)測(cè)試題庫(kù)，設(shè)置試題的難度系數(shù)，特別是在試題中引入工程實(shí)際對(duì)象數(shù)學(xué)模型，題目分別來(lái)自典型環(huán)節(jié)的模擬研究、二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分析、工程對(duì)象頻率特性的測(cè)試三方面內(nèi)容。學(xué)生的最終實(shí)驗(yàn)技能測(cè)試成績(jī)由測(cè)試成績(jī)乘以難度系數(shù)構(gòu)成，由此增加了對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手操作能力的考核以及靈活應(yīng)變能力的考核。

4.1 考試命題與成績(jī)?cè)u(píng)定

實(shí)驗(yàn)技能測(cè)試考核中，設(shè)置試題40套，采用A，B，C三類(lèi)試題；其中A類(lèi)試題18套，B類(lèi)16套，C類(lèi)6套；難度系數(shù)分別為1.0，0.9，0.8。在實(shí)驗(yàn)技能測(cè)試中，時(shí)間為50分鐘，每個(gè)學(xué)生實(shí)際操作時(shí)間為40分鐘，最后10分鐘監(jiān)考教師驗(yàn)收。

成績(jī)按四方面考核：理論分析與電路參數(shù)設(shè)計(jì)(30 分)；實(shí)驗(yàn)電路接線(40分)；運(yùn)行結(jié)果分析(20分)；回答實(shí)驗(yàn)中有關(guān)的問(wèn)題(10分)。

4.2 技能測(cè)試實(shí)施

在實(shí)驗(yàn)技能測(cè)試中，根據(jù)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力存在的差異，由學(xué)生自主抽取難易不等的試題，這樣可以更好地評(píng)價(jià)學(xué)生的綜合能力。所有試題均為設(shè)計(jì)性題目，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)電路，選擇元器件及參數(shù)。

補(bǔ)考中采取學(xué)生選取試題難易等級(jí)，教師指定題目，避免與正考試題相同；A類(lèi)補(bǔ)考同學(xué)最高成績(jī)80分，B類(lèi)補(bǔ)考同學(xué)最高稱(chēng)績(jī)70分，C類(lèi)補(bǔ)考同學(xué)最高成績(jī)?yōu)?0分。

5 實(shí)施效果

自2004年以來(lái)，我校自動(dòng)控制理論課程作為省級(jí)精品課，先后對(duì)自動(dòng)控制理論課程的理論授課教學(xué)方法、教學(xué)手段、題庫(kù)建設(shè)以及實(shí)驗(yàn)考核等方面進(jìn)行了改革和嘗試，使該課程教學(xué)從課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣等方面都取得較好的效果。授課課堂學(xué)習(xí)氣氛明顯好轉(zhuǎn)，學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性提高，學(xué)生能積極主動(dòng)查閱資料，課后及時(shí)提問(wèn)，學(xué)習(xí)的氛圍明顯好轉(zhuǎn)；學(xué)生從課堂授課以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中都盡可能聯(lián)系實(shí)際，熟悉工程應(yīng)用，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)解決一些重要知識(shí)點(diǎn)和難點(diǎn)，使理論學(xué)習(xí)變得輕松；大多數(shù)同學(xué)平時(shí)認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)課的重要性，都能主動(dòng)熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備，了解實(shí)驗(yàn)原理，加深了學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，提高了絕大多數(shù)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

在今后該課程的教學(xué)中還需不斷探索新的思路、新的教學(xué)方法與手段，以培養(yǎng)出滿足企業(yè)需求的工程應(yīng)用型人才。

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Research and Practice on the Reform of Automatic Control Theory Course Teaching

Sun Liying, Zhang Jian, Yang Huijun

College of Electrical Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou, 121001, China

For the characteristics of Automatic Control Theory course and the current situation of teaching and Universities, around training engineering practices talent training mode, the course teaching reforming is researched and tried in this paper. Update and optimize the teaching content, adopt different teaching methods, such as using media, heuristic teaching, micro teaching, etc., to strengthen the culture of engineering practice ability; while increasing experimental skills test, the introduction of project control objects commonly used, to enhance students' perceptions.

teaching content; teaching methods; MATLAB and micro teaching; experimental skills test

2016-04-18

孫麗穎，博士，教授。

遼寧省本科教改項(xiàng)目“應(yīng)用型本科院校電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)體系構(gòu)建的研究與實(shí)踐”。