基于工程应用能力培养的“自动控制原理”教学改革研究*

宋雪玲　　宋哲英　　刘朝英

（1、河北科技大学 电气工程学院，河北 石家庄 050018　2、河北科技大学 理工学院，河北 石家庄 050018）



基于工程应用能力培养的“自动控制原理”教学改革研究*

宋雪玲1宋哲英1刘朝英2

（1、河北科技大学 电气工程学院，河北 石家庄 0500182、河北科技大学 理工学院，河北 石家庄 050018）

摘要：针对“自动控制原理”目前教学过程中存在的问题，结合工程应用能力培养的教学目标，从专业课程体系、教学理念及教学内容改革、实践环节建设、网络资源建设等方面对课程具体改革方法、步骤进行了分析总结，实现了从理论教学到工程应用能力培养的改革目标。

关键词：自动控制原理；工程应用能力；教学改革

“自动控制原理”是控制类专业的一门重要的专业基础课，是本科阶段学习的核心课程，也是控制类研究生的入学考试课，在专业理论体系中占据重要位置，对后续课程的学习起到统领的作用，是所有自动控制系统设计的基础，既具有科学理论的基础意义又对工程技术具有实践指导作用，是培养学生综合素质，激发提高学生分析、解决工程问题的能力的关键环节，是今后专业领域发展的基础。

“自动控制原理”课程理论性强、内容丰富、数学推导和计算量大［1］。主要包括控制系统建模、系统分析和控制器设计三大部分，各部分均需要大量的运算和画图。授课过程中，没有以工程应用为理念的精心的教学设计，要想达到工程能力培养的目标是很困难的。在讲这门课时，很多学生将它等同于了高等数学类的课程的学习，存在很大的误区。另外由于教学学时的压缩，如何在较短时间内让学生掌握好基本的分析设计方法，提升工程应用能力也是目前“自动控制原理”教学改革中要面临的一项难题。以工程教育为理念，构建科学合理培养方案的重要任务是实现从科学知识型向科学知识实用技能型的转变，通过长期的教学实践，为达到工程应用能力培养的教学目标，从以下方面进行教学设计与探索。

一、专业课程体系理念融入自动控制原理课程

“自动控制原理”是控制类专业的核心课程，后续的很多专业课可以看做是自动控制系统中的一个个组成部分，因此要注意各个课程之间内容的相互联系，比如在授课过程中不能单单介绍自动控制中的理论，还要将后续相关的课程在该控制系统中的作用说明清楚，让学生在学习自控时就建立起专业课程群的概念，明白各门课程之间不是独立的，他们都是控制系统中的一部分［2］。例如，在讲授数学模型时要说明后续课程中“电机学”就是研究电机的数学模型的这一概念；负反馈控制系统中的反馈环节对应“检测技术”这门课，主要实现系统的被控参数的检测，将非电量信号变为标准电信号；控制器在具体实现时要应用“单片机”、“PLC”等课程知识，是控制系统的“大脑”；执行装置对应“电力电子”、“过程控制”中的调节阀等，将控制量转换为具体的流量或电压的变化，来调节系统的被控参数。这样在学的过程中不仅将自动控制系统，同时将整个专业课程形成一个整体，加深学生对专业的理解。

二、教学理念及教学内容的改革

自动控制最终要服务于工程、应用于工程，在教学理念上应从工程的角度来重新梳理教学内容。由于该课程是学生初次接触工程系统，还没有基本的概念，要想串好系统建模、分析、设计这条主线，在进行教学设计时，要将基本理论和工程应用相结合，从工程角度来介绍每部分的作用和联系，充分利用MATLAB软件的强大计算功能，避免复杂的推导计算，强调各部分的工程含义。各教学部分具体设计如下：

（一）系统数学模型部分

现有的《自动控制原理》教材版本很多，但共同的问题是缺少学生容易认知的主线，建模部分和系统分析部分的模型没有连续性和针对性，各部分各自为政，学生不好理解。比如讲模型时很多版本以电机的模型作为被控对象模型，但《电机学》课程还没开，讲多了自控的课时不够，而且也不是本课程的重点，讲少了，学生觉得疑惑，觉得自控书看不懂。为此在教学设计上可以选择常见的温度控制系统、液位控制系统等作为研究目标，从建模入手说明模型对系统分析的重要性，将抽象的数学推导，应用到具体问题的解决中来，增强学生对模型这一数学基础应用的直观认知，从这些常见的控制系统设计中激发学生对控制的兴趣和理解。例如在教学设计中我们选择了贴近生活的液位系统控制的水箱作为对象进行建模研究［3］。液位系统不仅常见而且该系统若研究单容水箱控制则属于一阶被控对象，双容水箱控制则属于二阶被控对象，均为控制系统中典型的研究对象，具有普遍性。

（二）系统分析方法部分

建立了模型就要在模型的基础上进行分析。系统的分析包括时域、根轨迹、频域三种方法，每种方法都具有自身的特点，学生学完后普遍反映感觉内容较多，联系不起来。在讲授这些分析方法时，每讲完一种，再以前面提到的液位模型的闭环比例控制作为典型系统对象，进行有关章节内容的系统分析和总结应用，帮助学生理解所讲的响应曲线、根轨迹图、频率特性图与系统真实运行情况之间的直接联系，各方法之间的分析侧重点及相互之间的互补与优势。系统的分析需要综合运用所学过的方法，避免把所学过的方法割裂开来，各自为政。

（三）系统设计部分

在分析的基础上，就要进行系统设计以完善系统性能。设计是本课程的重点也是难点。设计包括系统结构的设计和控制器的设计两个方面，系统结构的设计是指采用闭环、串级还是复合的校正方式；控制器的设计指采用具有超前、滞后还是滞后-超前的校正装置的选择问题，设计的方法可以采用根轨迹法、也可以采用频率法。在这部分可联系前面的比例控制单闭环系统性能的分析，说明单纯比例控制存在的问题，综合讲过的方法，采用适当的系统结构，加入合适的控制算法，改善原有系统的性能。将理论与实际工程要求联系起来从而实现从建模、分析再到控制系统设计的工程系统研究连贯性。另外，同一系统采用不同的方法进行分析与设计，将课程的内容转化为工程设计中的一个个环节，使学生掌握其内在联系及区别，系统地、多角度地看问题，加深学生对课程内容及工程问题的理解。

三、实践教学改革

实验教学是重要的实践环节之一，是培养具备科学创新能力的高素质人才的重要途径［4-5］。“自动控制原理”培养计划中，必须为学生设计合理的实践培养体系，从低到高、从基础到前沿、从接授知识到综合能力培养逐级提高，将传授知识、培养能力、提高素质溶为一体。

基于上述思想，借助MATLAB作为平台，改革原来的验证性为主的实验内容增加设计性、综合性实验。在实践环节，通过“基础实验”实验帮助学生掌握运用现代软件解决课程中复杂计算的能力，从而避开复杂的数学推导，在有限教学时间内提高教学效果。再利用MATLAB提供的Simulink仿真平台，以虚拟真实为特征不断优化实践内容，增加学习过程的趣味性，变被动学习为主动式获取，更符合现代社会学生们的认知规律。在此基础上又增加了课程设计环节，在课程设计中仅给出系统控制目标及被控对象，具体如何实现该控制目标学生可以自己发挥。充分调动学生自学和综合运用理论知识的能力，进行系统理论分析和控制器设计。设计好后借助MATLAB软件进行系统性能的验证，检验设计的指标是否真正符合要求，如存在差异还需分析原因，做到对系统研究的举一反三。有了基本理论及MATLAB软件的辅助设计，再以实验室现有的液位过程控制实验装置为载体，最终回到工程实践中，将理论、仿真的设计结果在实践中进行验证，分析理论与实际控制效果的差异，提高学生实际动手操作的工程实践能力，实现从理论到仿真再到工程应用能力的逐步提高。

四、发挥精品课优势，完善网络教学资源

学时的压缩、实践环节的增加势必造成理论教学过程的缩减，而且授课学生人数较多，我校通常为三个以上合班授课，单独辅导时间较难保证。作为省级精品课，在前期建设的基础上，我们将教学课件、课后作业的详解、教案、授课录像等资源上传到校园网，方便学生自学或课下复习，弥补理论教学的不足，提高了课堂效率。另外通过建立QQ群，让学生在出现疑问时可随时解答，方便师生沟通，同时给学生提供“自动控制原理”国家级精品课的网站地址，方便报考外校研究生的学生有针对性地进行自学。

五、鼓励学生参加科技竞赛，以科研成果提升学习热情

教学和科研是相辅相成的两个方面，教学是科研的基础，科研是教学的目标，两者不可分割。航模比赛、挑战杯等一直是我校的优势，每年都有学生在比赛中获奖。因此在教学中讲授理论知识的同时，增加了一些与身边的科研结合的内容，让学生看到利用所学知识，自己也能设计出自动循迹小车、航模飞行器等科研产品，鼓励他们参加学院级、省级、国家级的电子大赛等项目，再将科研成果融入课堂教学，用身边的实例调动学生的积极性和学习热情，既培养学生的动手能力，又增加了课堂教学的生动性和趣味性，教学科研双促进。

六、结束语

在本次教学改革中，工程应用能力是检验“自动控制原理”教学是否达到教学目标的标准。在教学过程中，经过精心设计每一个环节，加深了学生对理论知识的理解，激发了学生的学习兴趣，工程应用能力明显提高，实现了纯理论教学到工程应用型教学的过渡，为后续专业课程的学习奠定了良好的基础。

参考文献

［1］隋金雪，华臻，等.《自动控制原理》课程教学改革与创新［A］第六届全国高等学校电气工程及自动化专业教学改革研讨会论文集［C］.

［2］刘朝英，宋哲英，宋雪玲.基于MATLAB的控制类课程群改革［J］.电力电子学报，2009，31（S2）：37-40.

［3］李献忠，孙为民，倪桂杰.高职高专《自动控制原理》教学改革与体会［J］.中国电力教育，2008（121）：100-101.

［4］xueling song，zheying song，chaoying liu.Teaching Reform of“AutomaticControlTheoryCoursefortheIndependent College Students”2010 international Conference on E-health Networking［J］.Digital Ecosystems and Technologies.

［5］宋哲英.改革实验教学模式，培养学生创新能力［C］.2007年中国自动化教育学术年会，2007：642-644.

中图分类号：G642

文献标志码：A

文章编号：2096-000X（2016）14-0118-02

*基金项目：本论文为河北科技大学理工学院教育教学研究课题（编号：2011z09），在此向理工学院的支持表示感谢！

作者简介：宋雪玲，女，河北高邑人，河北科技大学教授，硕士研究生学历，主要从事工业过程智能控制方向的研究。

Abstract:According to the problems existing in the course of"Automatic Control Theory"teaching process at present，combining with the teaching goal of cultivating the ability of engineering application，this paper analyzes and summarizes concrete teaching reform measures and steps from the perspective of discipline curriculum system，teaching philosophy，teaching content reform，construction of practice ability and network resources.It achieves the reform goal of combining the theory teaching with the engineering ability training.

Keywords:automatic control theory；ability of engineering application；teaching reform