自动控制理论课程教学改革的研究与实践

孙丽颖 张 健 杨汇军

辽宁工业大学电气工程学院 辽宁锦州 121001

自动控制理论课程教学改革的研究与实践

孙丽颖 张 健 杨汇军

辽宁工业大学电气工程学院 辽宁锦州 121001

针对自动控制理论课程的特点与本科院校教学的现状，围绕培养“工程实践”型人才培养模式，对该课程的教学改革进行了研究与尝试。更新和优化了教学内容，采用多媒体、启发式教学、微课教学等不同的教学手段，强化培养工程实践能力；同时增加实验技能测试，引入工程中常用的控制对象，增强学生的感性认识。

教学内容；教学方法；MATLAB与微课教学；实验技能测试

自动控制理论是研究自动控制系统的基本理论与方法，为我院重要的一门技术基础必修课，也是其他电类、机电类专业的一门主干课程，理论性较强。其课程涉及数学、电子、机械等多门学科知识，并且与工程实际联系紧密。课程主要研究如何建立系统的数学模型、控制系统的时域和频域分析方法以及为改善系统性能的控制系统设计与综合等内容。随着控制理论的发展和计算机技术的广泛应用，新的控制方法和控制手段也越来越多，如何适应这方面的变化以及企业人才培养需求，我们从教学内容、教学手段、题库建设以及考核方法等几方面进行改革与实践。

1 更新和优化教学内容

结合我校自动化专业、电气工程及其自动化以及测控技术与仪器专业的本科教学需要，以系统分析设计为主线，以培养工程实践能力为目标，课题组教师研究一系列新的课程教学大纲、实验大纲和考核大纲，更新和优化了教学内容。

在理论教学内容上，以系统建模、线性系统的时域与频域分析、线性系统的综合设计为主线，淡化理论推导，适当地削弱应用较少的根轨迹部分内容的学时，强化工程应用，突出基本内容教学的同时，适当增加包括PID控制器在内的系统设计的有关内容；针对各专业对该课程内容的需求，对离散系统和非线性系统作了部分调整，我校自动化专业依然保留了这两部分内容，而电气工程及其自动化和测控技术与仪器专业删减了部分内容。这样对侧重于自动控制的学生能够保证树立一个完整的控制理论体系，而对于其他两个专业的学生，讲清基本概念，重点是理清思路、了解方法、增强系统性，以备后续课所需或进一步学习之用。

协调经典与现代控制理论、经典控制理论与其他相关专业课程内容的关系，适时地把一些新内容、新的教学研究成果、新的工程应用实例融合到理论教学内容中，以保证课程内容基础性与先进性相结合，并突出工程实践能力培养。例如，在数学建模时，结合电气专业发电机-电动机组建立以电机转速为输出，以干扰力矩为输入的数学模型。在讲系统分析与设计时，结合测控专业温度对象的PID调节，讲解时针对实际对象精度的控制要求，设计串联滞后超前校正装置，设计校正网络的电路参数。这样让学生既理解了理论知识又熟悉了理论内容的实践应用。

在实验教学内容上，以往的实验教学内容大多是验证性实验，内容陈旧，不利于学生创新思维及创新能力的培养。因而，在验证性实验的基础上，综合考虑知识的难点和重点，增加设计性和综合性实验。为此,建立分层次的实验体系，即课内实验内容分为基础性实验、综合性实验、设计性实验3个层次，学时按3:3:4分配。同时增加教学学时外的创新性开放实验课题，以工程应用案例为主，引导学生独立分析实验任务、设计实验新方案、整理分析实验结果，锻炼了学生的实验与创新能力，以全面提高学生理论联系实际的能力、知识综合能力、创新设计能力。

实际运作中，针对理论教学中一阶系统或者惯性环节的阶跃响应分析，并结合我校过程控制实验室中的单容水箱对象，建立一个带有容量滞后的一阶对象数学模型，可设置为创新实验，实验要求学生做以下几方面工作：一是根据实验装置的组成，搭建液位开环控制系统；二是能设置输入信号，通过调节器和阀门施加控制水箱对象的进水量；三是通过组态软件观察该对象的输出曲线；四是根据输出曲线，测试相关参数，得到一阶对象的数学模型。这样可以让学生在实验中感受数学模型的实际意义以及建立的方法。

2 采用丰富的教学手段

自动控制理论对学生的数学基础具有一定的要求，基础差的学生在学习中会感到有一定的困难，从而产生畏难情绪，如何改革教学手段，简化学习过程是课程改革的关键。

第一，采用多媒体技术。自动控制理论课堂教学过程中，板书教学尽管有些枯燥还是有一定优势，因此采用多媒体教学与板书教学相结合的方式。在教学过程中，有选择地增加部分多媒体课件，尝试增加课堂实践内容，将其与传统教学手段相结合，使学生在课堂中，体会各部分内容的实际应用场合与意义，弥补枯燥理论的索然无味，激发学生的学习兴趣，提高课堂的教学质量。例如，在讲述建立控制系统某一对象的数学模型时，把实际的温度、液位、压力等自动控制系统以课件形式给出，然后结合工艺过程，说明对象的输入、输出变量、可能存在的干扰，分析原理，然后建立微分方程，最后给出传递函数的数学模型，这样学生可以轻松地接受所讲内容，课程难易指数大大降低。课件可以分别设置在时域阶跃响应分析、稳定性分析、稳态误差分析、根轨迹分析、频率特性分析以及系统设计等相关内容。

第二，采用预留作业的启发式教学方法，适时开展课堂讨论，激发学生学习的主动性和积极性。根据每个章节的具体情况，灵活采用多种不同的教学方式与手段，引导学生开拓思维，激发学生的潜能。如控制系统的稳定性和性能指标分析是时域分析、根轨迹分析与频域分析的共性内容，可以在第一章讲解系统的控制要求时，说明稳定性分析的重要性和性能指标评价方法，并预留思考问题，让学生带着问题学习各章内容，并在每章都进行归纳总结，最后在课程结课后，提交大作业：要求以一个典型的实际系统为例，采用不同的方法对比分析其稳定性以及性能指标。通过总结提炼，融会贯通，使学生全面地理解了课程内容，也降低了课程的难易指数，从而提高了教学效果和教学质量。

第三，建立网络平台，推行微课教学。网络教学不受时间和地点的限制，可以有效地实现资源共享，而微课教学是一种新的灵活教学形式，依托于网络，是课堂教学的有益补充。目前网络非常发达，学生上网非常方便。把课程中一些重要的知识点和难点，结合MATLAB软件演示功能，做成一个个小微课，供学生在课后自主利用网络学习。例如，二阶系统的时域阶跃响应分析中，研究阻尼系数的取值对阶跃响应的影响时，采用MATLAB软件，编写一段小程序，可得到系统的响应曲线，通过改变阻尼系数的设计参数，响应曲线不同，可以很直观地得到不同阻尼下的阶跃响应曲线，并把这部分内容合理地制作成短小的微课。可制成微课的知识点包括：(1)系统开环控制与闭环控制的区别；(2)数学模型部分：电网络和机械传动系统建立模型，结构图化简与梅逊公式等；(3)时域分析部分：不同时间常数下的一阶系统响应，二阶系统不同阻尼系数对阶跃响应的影响，劳斯判据的应用等；(4)根轨迹分析：增加零极点对控制系统稳定性的影响，零度与常规根轨迹的区别，参数根轨迹中参数变化对形状的影响等；(5)频域分析部分：如何由各个环节的伯德图构成系统的开环伯德图，如何利用奈氏曲线判断稳定性等；(6)系统校正部分：校正前后的伯德图对比等内容。各微课短片传至网络平台，并在平台上设置互动留言板，通过网络互动与微课教学，增强课外学习效果。

微课不失为课堂教学的灵活补充，将MATLAB仿真演示引入微课的短小教学中，增强了学生对抽象理论的感性认识，培养学生的兴趣与实践能力。

3 建立完善的试题库

本课程从2010年，历时5年建立了完善的的试题库，已建成40套试题。首先制定了考试大纲，规定了各知识点的掌握程度，并说明了题型分类与比例。试题题型包括有填空题、选择题、计算分析题、证明题、作图题、简答题等。试题难度分为：(1)基本题，反映教学的基本内容和基本要求；(2)中等难度题，是稍有变化的基本题；(3)难题，具有一定的综合性、复杂性和灵活性。在考核大纲中明确规定了理论考核内容，并规定了试题难度所占比例，其中基本题占15%～30%，中等难度占40%～60%，难题或提高题占15%～30%。

课程考试中依据抽题规则，初步实现了考教分离。 试题库运行中，每年根据授课对象的学习与答题情况，课题组教师不断研讨与调研，同时参照每年收集到的试题素材，包括考研各高校的试题以及相关资料，不断丰富试题库。从开始制定试题库，保证了每年至少增加并更新五套试题，预计建成试题库50套。

在近几年的教学中，由于试题库的建成，激励了学生的学习热情，学生已形成了自己熟悉大纲并按知识点学习的风气，实施效果较好。

4 增加实验技能测试 强化实验教学

自动控制理论以教学理论教学为主，实验教学有效增加学生对工程实际应用的认识，因袭增加实验技能测试，以强化实验教学。

实验技能测试主要针对实验环节考核，实验项目主要有典型环节的模拟研究、二阶系统的阶跃响应分析、频率特性测试以及控制系统校正设计4个项目。根据实验项目的配置，设置实验测试题库，设置试题的难度系数，特别是在试题中引入工程实际对象数学模型，题目分别来自典型环节的模拟研究、二阶系统的阶跃响应分析、工程对象频率特性的测试三方面内容。学生的最终实验技能测试成绩由测试成绩乘以难度系数构成，由此增加了对实验动手操作能力的考核以及灵活应变能力的考核。

4.1 考试命题与成绩评定

实验技能测试考核中，设置试题40套，采用A，B，C三类试题；其中A类试题18套，B类16套，C类6套；难度系数分别为1.0，0.9，0.8。在实验技能测试中，时间为50分钟，每个学生实际操作时间为40分钟，最后10分钟监考教师验收。

成绩按四方面考核：理论分析与电路参数设计(30 分)；实验电路接线(40分)；运行结果分析(20分)；回答实验中有关的问题(10分)。

4.2 技能测试实施

在实验技能测试中，根据学生的实践动手能力存在的差异，由学生自主抽取难易不等的试题，这样可以更好地评价学生的综合能力。所有试题均为设计性题目，由学生自行设计电路，选择元器件及参数。

补考中采取学生选取试题难易等级，教师指定题目，避免与正考试题相同；A类补考同学最高成绩80分，B类补考同学最高称绩70分，C类补考同学最高成绩为60分。

5 实施效果

自2004年以来，我校自动控制理论课程作为省级精品课，先后对自动控制理论课程的理论授课教学方法、教学手段、题库建设以及实验考核等方面进行了改革和尝试，使该课程教学从课堂教学、实验教学以及学生学习的兴趣等方面都取得较好的效果。授课课堂学习气氛明显好转，学生学习的主动性提高，学生能积极主动查阅资料，课后及时提问，学习的氛围明显好转；学生从课堂授课以及实验教学中都尽可能联系实际，熟悉工程应用，并通过网络平台解决一些重要知识点和难点，使理论学习变得轻松；大多数同学平时认识到实验课的重要性，都能主动熟悉实验设备，了解实验原理，加深了学生的感性认识，提高了绝大多数学生的工程实践能力。

在今后该课程的教学中还需不断探索新的思路、新的教学方法与手段，以培养出满足企业需求的工程应用型人才。

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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

孙丽颖，博士，教授。

辽宁省本科教改项目“应用型本科院校电气类专业实践教学体系构建的研究与实践”。