“自动控制原理”教学改革与实践探索

彭小芳?方卫红?刘良兵?邬晓岚

摘要：分析了“自动控制原理”的特点和教学中存在的问题，从教学内容、教学方法和实验环节三个方面进行了教学改革，以激发学生学习兴趣，提高教学质量。通过教学实践表明，这一改革取得了较好的教学效果。

关键词：自动控制原理；水位控制系统；工程实例

作者简介：彭小芳（1982-），女，重庆人，中国人民解放军后勤工程学院，讲师；方卫红（1972-），男，江西广丰人，中国人民解放军后勤工程学院，副教授。（重庆 401311）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）07-0084-02

“自动控制原理”是高校自动化类专业的专业基础课，在整个专业教学体系中起着承上启下的重要作用，是整个专业知识框架构建的基础，也是学生学习后续专业课程不可缺少的先行基础课。该课程不仅对工程技术具有指导性，而且对培养学生的辩证思维能力，学习建立理论联系实际的科学观点以及提高其分析问题的综合能力都有着重要的作用。学生深入理解掌握“自动控制原理”课程的概念、思想和方法，对于其日后解决实际控制工程问题、掌握控制理论其他学科领域的知识都是必备的基础。

该课程具有内容多、理论性强、涉及知识面广等特点，有一定的深度和学习难度。在学习过程中学生容易感到枯燥乏味，产生厌学情绪，因为他们更希望学习一些工作后立马就能用的学科。在教授过程中教师为突出对方法的讲解，则易過分强调理论推导与分析，而忽略工程应用，导致学生学习该课程后会做题了却与实际应用脱节。为了提高教学质量，有必要对该课程进行教学改革。

一、精选教学内容，提高教学质量

“自动控制原理”是一门理论性、实践性和综合性都比较强的课程，是具有一定深度和学习难度的课程，内容多、学时少的矛盾非常突出。[1]本校对该课程的安排总学时是66学时，其中实验12学时。授课内容主要包括自动控制的一般概念、控制系统的数学模型、线性系统的时域分析与校正、根轨迹法、线性系统的频域分析与校正。相对于课程标准要求的内容来说，课时安排较少，因此出现了课时非常紧张，上课节奏过快，习题课少的问题，学生的学习效果不好，普遍感到所学内容不易消化。如何在有限的课时内让学生熟练掌握控制系统的分析与设计方法，精选教学内容，提高教学质量，加强对学生的能力培养，成为本课程改革的关键。

首先，要根据课程标准和该专业培养目标要求，精选出教学重点内容。对教学大纲中的重点内容不仅要重点讲解，而且要讲深讲透，起到举一反三的作用。对一些基本概念、基本原理和基本方法要让学生很清晰地知道其工程意义。而对有些在以前课程中讲过的内容，在课堂上只对内容的应用之处进行讲授，略去重复内容。对于教学大纲中规定了解内容和一般性了解内容，要少讲或者不讲，作为自学内容让学生在课下自学。[2]

其次，要使学生将本课程内容串联起来，熟悉各章节之间、各种方法之间的内在联系及连贯性。学生在学习过程中往往并不清楚各个知识点之间的联系，以及各个章节之间的因果关系，总感觉“不识庐山真面目”，学习起来很费力。所以在教学过程中，教师应当理清知识脉络。[1]课程内容设计中采用“一纵三横”的设计思路，具体来说，“一纵”就是在课程讲授中要求贯彻自动控制系统的建模、分析及设计方法这条主线，重点强调工程应用背景，突出能力培养。“三横”就是在方法讲授中要求强调自动控制系统的稳定性、快速性和准确性，稳、准、快三个字是分析的核心，也是设计的归宿。在对该课程进行理论分析基础上，注重强调分析和设计的方法及其工程意义及对其实际应用的阐述。

二、工程实例教学法的应用

该课程理论性强，教师在教的过程中往往强调其逻辑性及理论体系性，而学生在学的过程中却常常忙于背公式、做习题，将其当成更为高深难懂的数学课程。为改善这种状况，突显“自动控制原理”课程与工程实际紧密联系的特点，本院引入工程实例进行教学，即以一个工程实例贯穿“自动控制原理”授课全过程。工程实例式教学法采用由浅入深的方式，在授课之初教师提出工程要求和设计目标，待相关章节理论讲解之后，就要求学生完成阶段设计目标，这样层层递进以项目形式使公式形象化，用实践促进理论应用，培养学生工程应用意识，强化实践动手能力。[3]本课程在教学过程中主要以水箱水位控制为主要实例，贯穿该课程主要内容。

第一章为自动控制的一般概念，应要求学生重点掌握闭环控制系统的工作原理，能够绘制系统方框图，授课过程中着重于水位控制系统的工作原理分析及方框图绘制方法，在此基础上举一反三地引入其他控制系统。水位控制系统的原理如图1所示：

第二章内容为建立系统数学模型，首先建立单容水箱、阀门、液位计等设备的时域数学模型，然后以水位控制系统为例，建立系统的微分方程。为了计算简单引入传递函数，此时在第一章的方框图中各设备中填入相应的传递函数，即数学模型的第三种方框图表示法，由此引入方框图如何求传递函数。

第三章为系统时域分析法，单容水箱即为典型的一阶系统，其方框图如图2所示，如果直接采用比例控制，可以改善系统的过渡过程，但是系统确存在稳态误差。为了消除稳态误差，即引入积分控制，系统则由一阶系统变成二阶系统，然后对二阶系统进行性能分析（也可以通过双容水箱控制系统进行分析）。通过前面的学习，可以知道稳态误差与输入信号有关，与积分环节有关，在稳态误差一节中就可进行详细分析，通过前面水位控制系统来验证稳态误差法的应用。

最后，要求学生可以应用根轨迹法和频域法对系统进行定性及定量分析，并实现控制器的参数选择，如比例系数、积分时间常数、微分时间常数等。PID控制器广泛应用于很多工业部门，适用性较强，到目前为止，PID控制是最广泛应用的基本控制方式。此处可以以三容水箱水位控制系统为例，进行PID控制算法的参数整定，使学生熟悉PID控制算法及其频域法和根轨迹法在系统设计与分析中的应用。

讲授过程中，教学的目标不是教会一个例子，而是让学生通过例子学会相关的分析与设计方法。以由浅入深的工程实例提高学生对课程内容的认知热情，通过一个工程案例贯穿始终，让学生能够学以致用，能够真正做到理论联系实际，提高学生分析问题及解决问题的能力。

三、改革实验教学环节探讨

“自动控制原理”课程理论性强，实验是理解和消化课程内容的重要途径。目前许多高校还处于模拟实验阶段，主要通过自控实验箱和Matlab软件仿真来完成实验课的教学。

自控实验箱利用集成封闭的实验箱，将相应的有源网络模块连接成典型环节或系统，再施加典型信号，通过示波器观察实验结果。虽然这种方式可以在一定程度上提高学生的动手能力，加深其对课堂所学内容的理解，但还存在着一些弊端：学生只是依据给定的电路来连接，对于控制系统的参数不知如何调整，很容易造成硬件电路的损坏；实验设备高度集成化，可扩展性差，可改参数有限，使得综合性和设计性的实验难以开展；实验内容形式老化，不能达到实验要求和促进课程理论教学的目的。[4]

為克服实验箱的不足，许多高校将Matlab仿真与模拟实验有机地结合起来，既能克服传统模拟实验的局限性，又培养了学生应用现代化的工具进行系统分析、设计及解决实际问题能力，不仅让学生掌握Matlab在控制系统分析与设计中的运用，而且可以使学生将实验与理论结合，发现试验箱实验中存在的问题。

虽然将Matlab仿真与模拟实验有机地结合为后续课程及以后从事相关研究工作打下了基础，但其仍然处于模拟实验阶段，学生学习完该课程仍不知道如何将理论与实际工程应用相结合。因此，本文将实验环节分为三个部分：实验箱、Matlab仿真和过程控制系统实验。

实验箱与Matlab仿真结合实验：本校采用“THKKL-5型控制理论-计算机控制技术”实验箱，选择性地开设两个实验，即典型环节的电路模拟和系统频率特性的测量。在进行实验箱实验的同时，通过Matlab进行实验结果验证，看是否存在不一致的状况，并分析原因。

Matlab仿真实验：包括控制系统的根轨迹及其性能分析，Bode图及其频域分析。

过程控制系统实验开设：依托过程控制系统实验室进行以下实验的开设，水位控制系统数学模型的建立、水位控制系统的时域响应及参数变化对系统的影响、PID控制器的设计。

教学实践证明，引入工程实例到“自动控制原理”课程实验环节中，让学生知道学好“自动控制原理”对科学研究和工程应用都有着十分重要的作用。在往年的教学过程中，学生不知道学这么课程的意义，认为只要会做题就可以。增加工程性实验后，学生明白了“自动控制原理”课程的实际意义，激发他们的学习热情，提高了学习效率和理论联系实际的能力加强了对学生工程应用能力的培养。

四、结束语

在“自动控制原理”课程改革过程中，主要从如何选择教学内容、提高教学效果、激发学生学习主动性，提高学生的学习效率及分析问题、解决问题的能力方面入手，优化了课程教学内容，并在教学过程中由浅入深地引入了工程案例法，并增加了相应的实验环节单元，打破了传统的纯模拟实验环节。该方法在教学实践中取得了较好的效果。教学改革是一个漫长的过程，靠课堂教学提高教学效果是一个方面，如何提高学生的学习兴趣与自学能力也是关键，因此需在教学中不断总结经验，提高教学效果及学生学以致用的能力。

参考文献：

[1]范为福，王双红.“自动控制原理”课程教学改革与实践[J].中国电力教育，2012，（6）.

[2]柳明，王海军，郭庆叶.交通运输专业《自动控制原理》课程教学改革研究[J].中国民航飞行学院学报，2012，（2）：63-65.

[3]赵肖宇，刘坤，梁清梅.一个工程实例贯穿“自动控制原理”教学过程[J].牡丹江大学学报，2012，（2）：180-181.

[4]结硕，韩光胜.Matlab在自动控制原理实验中的应用[J].实验技术与管理，2012，（2）：95-97.

（责任编辑：宋秀丽）