面向智能制造的自动控制原理课程教学改革

谭拂晓，王戴木

（阜阳师范学院 计算机与信息工程学院，安徽 阜阳 236037）

面向智能制造的自动控制原理课程教学改革

谭拂晓，王戴木

（阜阳师范学院 计算机与信息工程学院，安徽 阜阳 236037）

自动控制原理知识丰富，授课重点多，抽象的内容，工程应用广泛。在《中国制造2025》纲要中，智能制造起着至关重要的地位，它是一种基于自动控制原理的自动化控制系统。本文在总结已取得的教学成果的基础上，结合现代计算机仿真软件和基于智能制造的实际工程系统进行全面教学改革。经过自动控制原理的学习，使学生具有分析和设计自动控制系统的能力，具有丰富的工程实践经验和具备独立科研攻关的能力。通过该课程的学习，使学生掌握自动控制的基础理论，为其他信息类专业课学习和具体工程实践打下坚实的基础。

自动控制原理；智能制造；教学改革；工程实践

经济发展在一定程度上将受到信息技术落后的影响，受到人才缺乏的制约，这些都对安徽省的高等教育事业提出了更新、更高的要求。培养应用型人才，丰富授课内容是工科专业建设的核心任务。随着电子技术、计算机技术的飞速发展，社会对懂得自动控制原理等相关工程应用的高科技人才的需求量不断增大，人才缺口越来越大。要满足皖西北跨越发展所需的智力支撑，关键在于大力调整应用型专业课程设置，培养高层次应用型人才。

国家于2015年颁布“《中国制造2025》纲要”，明确9项任务与十大重点领域。在《中国制造2025》中，由智能机器人和人工智能共同构建的智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）地位突出，它是智能化自动控制系统［1］。这些任务与重点领域都急需大量精通自动控制的高技术人才，这为阜阳师范学院信息类工科专业加强自动控制原理及其相关课程建设指明了改革的方向。

1　自动控制原理课程主要现状

自动控制原理是工科信息类专业主干课程，该课程概念十分抽象、讲授内容众多、专业综合知识和实践性较强。通过对自动控制原理课程的学习，使学生具有对自动控制系统的设计和分析能力、工程应用和具有独立科研攻关的能力。教学改革的目标是培养本科生对该课程的学习兴趣，掌握基础理论，具备对智能制造和工业机器人进行定性分析、定量估计和开发设计的能力，并为后续的专业课程的学习和实习实训奠定扎实的理论基础，并建立理论联系实际的科学观点和团队协作的都具有重要的指导作用［2-6］。

自动控制原理课程是建立在高等数学、线性代数、积分变换、电路基础、模拟电路、数字电路、大学物理、机械设计基础、信号与系统等专业课程之上，重点讲授线性反馈系统的分析与设计，并且涉及现代控制理论部分内容和最优控制的部分知识点。自动控制原理与智能制造密切相关，其概念深奥、知识点众多、工程实例丰富并具有抽象性。在以往的教学中，往往只传授基本概念、基础理论和公式推导，忽视工程应用，从而导致教师在教学中感到学生厌学，课堂枯燥乏味［7-10］。

我校开设自动控制原理的主要专业有“信息工程”和“电气工程及其自动化”。在教学实践中，主要存在以下几个方面的问题：一是与工程应用和智能制造相互脱节，过分强调抽象的理论和繁杂的数学公式推导；二是尽管采用现代化教学方法，但是目前学生大多只是停留在感性认识，并没有真正起到增加学习兴趣的效果；三是自动控制原理课程作图方法众多而繁杂，该课程中有很多知识点需要制图，主要包括：控制系统结构图、控制信号流程图、根轨迹图、Nyquist图和Bode图等［11，12］。

Matlab具有工程计算、数值分析、矩阵分析、计算机算法设计、数据可视化以及控制建模和仿真等强大功能于一体的交互式计算机仿真软件。Matlab吸收了Mathematica和Maple等计算机仿真软件的优点，使Matlab成为一个强大的动态系统仿真工具，代表了当今国际科学计算软件的先进水平［13，14］。在Matlab中，Simulink提供了控制系统仿真、动态系统建模、交互式图形化环境和可定制模块库的可视化计算机仿真工具，具有仿真精度高、运算效率高、密切工程实际、流程清晰和适用面广等特点，因而广泛应用于自动控制系统的分析与设计［7］。

面向智能制造的Matlab/Simulink计算机仿真为学生提供了简洁、直接的可视化学习方式，结合工程实际加深了学生对于自动控制原理课程的认识，丰富了学生的学习视野、拓宽了学习内容。有利于培养学生的创新能力［14］。

2　面向智能制造的自动控制原理教学改革

在总结已取得的教学成果的基础上，结合现代计算机仿真软件Matlab/Simulink和基于智能制造的实际工程控制系统进行教学改革。经过自动控制原理课程的学习，使学生掌握分析和设计自动控制系统的方法，具有丰富的工程实践经验和具备独立科研攻关的能力。通过该课程的学习，使学生在掌握自动控制的基本概念的同时，为其他信息类专业课学习和具体工程实践打下坚实的基础。教学改革总体框架见图1所示。

2.1注重基础知识，突出教学重点

课堂是大学生获取知识、培养创新能力的重要场地。自动控制原理课程涉及大量的数学和物理知识、理论十分抽象、工程实例较多，并具有一定难度和深度的专业主干课程。在教学上应加强控制理论的基础知识的讲授，主要包括控制系统的数学模型；线性系统的时域分析；控制系统的根轨迹法；线性系统的频域分析法；自动控制系统的校正方法；线性离散系统的分析与校正；非线性控制系统分析；线性系统的状态空间描述；线性定常系统的线性变换；线性系统的可控性与可观测性；状态观测器；Lypunov稳定性判据等。加强与自动控制原理相关的线性代数、电路分析基础、高等数学、积分变换、复变函数和信号与系统等课程的教学，培养学生扎实的专业基础，塑造学生的抽象思维。经过教学改革，丰富教学实践，使学生在学好基础知识的同时，具有对实际的智能制造系统进行定量估计、定性分析和工程设计的能力，具备用科学的思维和现代化的计算机仿真处理实际工程问题的能力。

图1　自动控制原理教学改革总体框架

2.2基于可视化计算机仿真，拓宽专业课程

本课程的建设目标是结合课堂讲授和实际智能制造工程实例，对传统的教学内容和方式进行全面改革，把Matlab和Simulink计算机仿真引入课题教学，针对数学建模、时域分析、根轨迹图绘制、Nyquist图描述、Bode图制作、离散系统的分析与综合和现代控制理论进行教学改革。在数学建模上，进行Matlab程序设计，构建各类控制系统的数学模型；借助Matlab强大的绘图功能，实现时域、频域、复频域和离散系统的动态特性曲线，进而分析各类控制系统的性能指标及其稳定性；培养学生的面向智能制造的工程实际能力和控制系统分析与设计的工程实践经验。

2.2.1减少课堂上繁杂的数值计算

在自动控制原理课程中，数值计算复杂，公式推导繁琐，需要对书本例题进行定性分析和定量计算，才能使学生明白基本概念，掌握基本的学习方法。但是面对大量计算和复杂的控制系统绘图，往往会使学生感到该课程乏味和枯燥，进而产生厌学和弃学，因此需要引入计算机仿真，使学生从感性学习上升到理性认识。

2.2.2精确绘制自动控制系统的各类图形

自动控制原理课程体系中，需要大量的绘制各类图形。本科生在学习该课程上一方面要掌握这些图形绘制的基本技巧，另一方面还有根据这些曲线进行定性分析，进而掌握各类控制系统的动态特性。当面对智能化较高的工程实际系统，传统的课堂绘图方法十分麻烦，不仅费而且工费时。采用Matlab与智能制造工程实例相结合，借助于Matlab强大的绘图功能，获得直观的动态特性曲线，不仅有利于各类动态曲线的绘制，而且可以定性分析各类控制系统性能，提高教学效果，增加学习兴趣。

2.2.3对于控制系统的参数修改方便

在实际控制系统中，当系统参数变化时会改变系统的动态特性，因而通过自动控制原理的教学改革，使学生从单纯的理论解脱出来，从而分析实际系统的参数变化对动态系统的影响，进一步激发学生的学习兴趣，构建全新的教学模式。在基于Matlab教学改革中，参数变化对控制系统的分析和动态系统的影响很容易实现，并且可以进行可视化仿真，更加增强了学生的感性认识。例如，在二阶系统的时域分析中，阻尼比参数对控制系统的动态影响十分巨大，希望二阶系统工作在欠阻尼条件下。在单位阶跃响应作用下，采用Matlab仿真或者Simulink建模的方法，对阻尼参数进行调整，通过可视化实现二阶系统的动态输出。

2.3面向智能制造的自动控制原理课程体系改革

在自动控制原理的教学实践中，在有限的教学课时条件下使学生学会自动控制的基本理论，丰富学生的工程实践，加强应用能力培养成为自动控制原理教学改革的关键。根据智能机器人，教学改革从课程体系着手，以数学建模、控制系统分析和自动控制系统综合与设计为调整主线，加强工程应用，强化实践能力。在自动控制系统中，数学模型的建立是设计和分析控制系统的基础。因此在面向智能制造的自动控制原理教学改革中，具体分析和设计实际工业机器人系统，从分析它的物理含义入手，建立与工程密切相关的数学模型，使学生真正懂得物理系统与数学模型之间的联系。在此基础上，对实际工业机器人系统采取时域分析分析其性能指标、采用根轨迹法分析其稳定性、根据频域法分析其动态特性，这都是自动控制原理教学改革的重点。在以智能机器人为代表的实际自动控制系统中，快速性、精确性和稳定性是自动控制的基本要求，是衡量控制系统优缺性的主要特征。自动控制原理课程紧密围绕这三个目标进行教学改革，从而抓住教学改革的关键。在教学改革中培养学生的应用技能、创新能力和科学思维是教学改革的难点。选取智能制造的工程实际系统，凸显应用背景，在实际的工程中学习自动控制的基本原理，分析和设计其基本方法以及动态特性，从而拓宽学生的学科眼界，激励求知欲望，增加创新激情，使学生真正感受到该课程的重要性，加深了理论知识的学习和工程实践的认识，达到了课程学习与创新能力的全面生化。

2.4改革实践教学体系，优化实践教学结构

实践是理论创新的源泉，实践教学的根本是提升学生的应用技能，培养国家急需的应用型人才。引入Matlab和Simulink计算机仿真工具，从而进一步加深学生对自动控制基本知识的认知，是验证课堂教学好坏的标准。根据智能机器人，加强课程设计，在实践教学中培养学生的学习主动性、灵活性和系统性。我校选用胡寿松主编的《自动控制原理》第6版作为教材，在保证教学内容完整性的同时，根据各专业的特点，调整教学内容，增加实际工程应用，加强课程设计。作为一本经典的优秀教材，在时间有限的条件下使学生学到更多的知识，全面提升教学效果，需要对课程体系进行调整优化，强化基础知识，凸显工程应用，面向技能培养。结合学科体系和专业特点，调整章节顺序，在授课过程中突出课程重点，舍去与工程实际结合不紧密的知识点，可以获得更好的教学成果。在每章节的教学实践中，结合智能制造的工程实例，扩展学科发展前景，尽可能使学生从实践中学习理论知识，做到理论与实践密切结合。

3　教学改革主要目标和关键性问题

3.1课程改革的主要目标

结合工程实际，改革现有教学手段，丰富教学内容。在课堂教学中，一方面加强基础理论和基本分析方法的传授，另一方面在讲授的内容深度与广度上有所度量。注重渐进式教学，把握好与后续课程的衔接，增加学生学习兴趣，树立学好自动控制原理的信心，实现专业培养目标。

在自动控制原理课程学习过程中，使学生熟练掌握现当今应用广泛、功能强大的Matlab计算机仿真软件，并把该课程引入到智能制造的工程实际。在这种教学改革下，学生不仅拓展的视野，培养了科学思维，丰富了教学实践。在工程实践中学习该课程，使学生明确该课程的重要性，通过工程实例学习自动控制原理，并对其他专业课程的学习起着承上启下的作用，增强了学生的使命感和成就感。

全面修订教学计划，丰富各章节的工程实例。全面编写新的面向智能制造的自动控制原理教案，运用工程实际，通过可视化的计算机仿真，把自动控制原理课程中难以理解、比较抽象的内容直观的呈现在课堂教学中，使学生轻松的学习和掌握。

进一步培养学生的创新能力和工程实践技能。应用型人才的培养离不开实践教学，面向智能制造的教学改革也离不开实践教学。通过实践教学可以加深学生对基础知识的理解，验证课堂教学的好坏。结合该课程特点及现有条件，依托“信息处理与智能系统”校级重点实验室，让学生“走进科研”、“走进创新”、“走进学术前沿”。

3.2课程改革关键问题

编著面向智能制造的自动控制原理辅助教材，使学生熟悉和掌握实际自动控制系统的基本特点，培养运用控制理论分析和设计的基本技能。利用Matlab/Simulink辅助课堂教学，将计算机仿真充分运用到课堂教学和实际工程应用，使抽象的理论具体化。

坚持使用面向智能制造的工程实例，提高教学效果，包括采用统一自行研制的“面向智能制造的自动控制原理可视化计算机网络平台”与课堂教学相结合，使学生通过网络学习课程，实现真正意义的交互式教学。

实验教学改革和创新能力培养，是教学改革的中心环节。将智能制造工程实例与计算机仿真有机结合，全面修订实验教学和课程设计大纲，增加关于可视化计算机仿真的教学内容，加强课程设计，申报和实施大学生创新项目，提升实习和实训质量，培养学生的工程应用技能。

4　结论

在面向智能制造的自动控制原理教学改革中，采用工程实例与可视化计算机仿真相结合，设计教学方法，改革教学方式，转变教学模式，注重学科交叉，修订教学大纲，培养学生的创新能力，塑造科学思维，激发学习兴趣，全面提升教学质量。设计“面向智能制造的自动控制原理可视化网络教学平台”，采用Matlab/Simulink进行实际智能制造系统的图形化建模，并且在屏幕上显示数据以及输出计算机仿真数据和图形，教学平台的建设将为自动控制原理课程提供了一个具有实用价值的教学工具。

通过“面向智能制造的自动控制原理教学改革”，将会构建更为科学合理的教师教育课程体系，同时将会通过学科专业课程的科学设置以及设立选修课程，鼓励学生个性发展，拓宽学生知识面，使学生在工程实践方面有较突出的特长，培养一专多能的应用型复合人才。

［1］ 王喜文.中国制造2025解读：从工业大国到工业强国［M］.3版.北京：机械工业出版社，2015.

［2］ 胡寿松.自动控制原理［M］.6版.北京：科学出版社，2013.

［3］ 胡寿松.自动控制原理习题解析［M］.2版.北京：科学出版社，2013.

［4］ 李友善.自动控制原理［M］.3版.北京：国防工业出版社，2008.

［5］ 李友善.自动控制原理480题［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2015.

［6］ Franklin G F，Powell J D，Emami-Naeini A.Feedback control of dynamic systems（7th Edition）［M］.Prentice Hall，2015.

［7］ 刘萍.应用型大学自动控制原理课程教学改革［J］.中国现代教育装备，2014，17：68-70.

［8］ 汪洋.基于MATLAB教学平台的自动控制原理教学改革研究［J］，台州学院学报，2011，3：76-81.

［9］ 段纳，高庆争.自动控制原理教学中的问题及对策探讨［J］.曲阜师范大学学报（自然科学版），2011，2：7-10.

［10］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.

［11］李彦梅，张三刚.Matlab在自动控制原理教学中的应用［J］.安庆师范学院学报：自然科学版，2010，2：111-114.

［12］徐颖秦，潘丰.自动控制原理立体化教学新体系的探索与实践［J］.电力系统及其自动化学报，2012，2：152-155.

［13］王正林.MATLAB/Simulink与控制系统仿真［M］.3 版.北京：电子工业出版社，2012.

［14］薛定宇.控制系统计算机辅助设计：MATLAB语言与应用［M］.3版.北京：清华大学出版社，2012.

Teaching reform about principle of automatic control based on intelligent manufacturing

TAN Fu-xiao，WANG Dai-mu
（School of Computer and Information Engineering，Fuyang Normal University，Fuyang Anhui 236037，China）

The cause of“Automatic Control Theory”covers a lot of details，which include many teaching content，abstract concept，and with a strong practical and comprehensive professional knowledge.In“Made in China 2025”compendium，Intelligent Manufacturing（IM）plays a vital role，which is a kind of automatic control system based on control theory.On the basis of summary of teaching results and combined with modern computer simulation and actual project of intelligent manufacturing system，this curriculum need be reformed comprehensive.By learning control theory，the main tasks are to train students'the analysis of control system designing ability，the engineering practice ability and the innovation ability.Through this cause studying，students not only master the basic theory of automatic control，but lay a solid foundation for studying other information course and the concrete engineering practice.

principle of automatic control；intelligent manufacturing；teaching reform；engineering practice

TP13

A

1004-4329（2016）02-122-05

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329（2016）02-122-05

2016-04-28

阜阳师范学院教学研究项目（2015JYXM05）资助。

谭拂晓（1971－），男，博士，副教授，研究方向：分布式估计与动态优化。