“自动控制原理”课程特色教学研究与探索

刘 宝，孟令雅，王 钊，盛 立，于佐军

(中国石油大学(华东)信息控制与工程学院，山东青岛266580)

“自动控制原理”是高校工科专业的一门重要课程，大多数学生普遍反映该课程难懂难学，教学效果不理想［1-4]。近五年来，我们通过融合各种信息技术来改进传统的教学方式，形成一套科学完整的、具有石油控制工程背景特色的“自动控制原理”课程的理论和实验教学体系，对提高教学效果发挥了重要作用。

1 具有工程背景特色的理论教学

1.1 宏观概念教学

“自动控制原理”课程教学效果较差的主要原因是学生在学习过程中既不清楚学过内容的条理性，也不知道将来要学习的知识内容。因此我们有必要，在授课时首先给学生一个明晰的整体概况认识。我们在教学过程中，每一章结束时除了进行本章总结和重点难点分析外，还给学生展示和分析如图1所示的课程知识架构图，让学生掌握整体知识。

本课程的控制系统性能分析，包括第三章到第五章的线性系统时域分析方法、根轨迹分析方法和频率特性分析方法等内容。如果控制系统的控制性能不能够满足要求，则在第六章对控制系统进行控制系统校正设计即控制器改进;后面第七、八两章分别是对离散计算机控制系统和非线性控制系统进行分析。通过这种宏观概念教学方式能够帮助学生在学习过程中搞清楚不同章节内容在理论体系上的关联，能够较好地对知识体系进行宏观认识和掌握。

图1 自动控制原理宏观学习体系架构

1.2 石油化工背景特色案例教学

我们为了强化石油石化工程背景应用，首先通过观看石油化工现场自动控制录像和自动液位控制系统控制过程演示，使学生建立起比较清晰的自动控制系统感性认识。我们结合典型案例进行再分析，具体的教学流程如图2所示。在每一个模块讲完之后，都结合同一个典型石油石化控制工程案例进行对应分析。这样按照循序渐进的原则从基本概念、系统建模、系统分析(包括时域分析、根轨迹分析、频域分析)和系统设计，到离散控制系统和非线性系统等，以典型的石油石化背景的控制对象为综合分析实例，培养学生在学习过程中把抽象理论与实际控制工程的联系意识。

图2 石油化工背景特色教学流程

1.3 启发式教学

我们在教学过程中采用如图3所示的“浅入深出”启发式的教学方法:先进行相应的控制系统仿真实例演示，让学生观察现象，引导学生发现问题并思考分析，从而引出需要讲解的新理论。如在学习控制系统稳定性分析的时候，以液位控制系统作为仿真实例，逐渐提高比例增益或积分增益等，让学生观察增益系数从零逐渐变化到很大数值(直到出现发散)时阶跃响应过程变化特点。结合学过的高阶系统阶跃响应特点引导学生思考该液位控制系统出现发散的原因，让学生思考如何判断一个已知控制系统的稳定性。这种方式能够让学生比较容易接受抽象的控制理论，并能结合工程实际。在学习和分析完新理论之后，再通过例题和练习进行巩固，最后再结合工程实例进行综合分析。

图3 “浅入深出”趣味启发式教学方式

1.4 教学方法研究

为了让学生比较容易接受将来的新知识，我们在“自动控制原理”讲课过程中不断提及将来相关的新知识的简单概念，为后面学习的新知识奠定基础。如在学习劳斯判据的时候，可以再次把传递函数求零极点和传递函数的反拉氏变换就是系统的单位脉冲响应的性质联系起来。讲解完劳斯稳定判据后，提前把根轨迹基本概念简单提出来，也就是从单值闭环极点判断系统稳定系统问题，延伸到闭环极点随着控制参数连续变化而变化的情况。这样一来，当正式讲解绘制根轨迹的时候，不但跟前面讲过的性能指标进行联系，还把根轨迹与虚轴的交点问题与劳斯判据等理论再次回顾;当讲到根轨迹与系统性能变化时提前与后面的系统校正联系。

2 特色教学方法实践

自2008年开始，我们已陆续在自动化、电气自动化和热能与动力工程等专业5届学生的“自动控制原理”学习过程中，实施上述综合特色教学方法，教学效果逐步得到提高。如电气工程自动化专业学生通过该课程的不及格率由2008年的6.1%降至2011年的2.1%，优秀率由2008年的5.1%上升到2011年的11.1%(每年命题的难度基本相当)。另外，围绕本文特色教学方式的“自动控制原理立体化教学方法改革与实践”获得学校2008年重点和2012年一般教学改革项目资助，并获得中国石油大学2012年优秀教学成果二等奖。

3 结语

本文根据目前“自动控制原理”教学过程中存在的问题，并结合该课程本身所具备的特殊性，从多年课程教学经验中，实施宏观概念教学、特色背景案例教学、启发式教学和趣味式教学等针对性教学方法。经过近5年的实际教学实践证明，这些特色教学方法，为提高学生的学习兴趣和教学效果，起了重要作用。

［1] 刘宝，于佐军，王宇红等，论信息时代下自动控制原理立体化教学改革［J] ，青岛:中国石油大学学报(社科版)，2009，8:43-45.

［2] 陈旭，林国余，自动控制原理课程教学研究与探索［J] ，南京:电气电子教学学报，2009，30(5):26-27.

［3] 孟令雅，自动控制理论教学漫谈［J] ，南京:电气电子教学学报，2006，28(1):48-50.

［4] 王万良，“自动控制原理”课程教学中几个关键问题［J] ，北京:中国大学教学，2011，8:48-51.