自动控制理论课程教学体系探讨

【摘 要】本文提出围绕自动控制理论课程的基本教学目标，构筑适应教学目标、课程特色、教学现状的内容体系，以期实现提高教学质量和提升学生工程应用能力的目标。

【关键词】自动控制理论 教学体系 工程案例

【中图分类号】G 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2017）07C-0068-02

自动控制理论课程具有理论性、实践性和综合性很强的特点，与前期、后续课程关系密切。就教学体系而言，总体沿用理论、实验、工程实例的新格局，整合三者的关系。教学内容是保证教学质量的基本载体，本文提出根据专业服务面向、就业去向、就业岗位，以职业能力标准为依据，将职业岗位关键能力培养融入课程教学体系，体现控制理论在控制领域中的应用，从而扭转自动控制理论课程教学困境。

一、对接其他课程，突出课程地位

自动控制理论作为控制类专业基础课，具有承上启下的作用。其前期课程主要包括：数学、物理学、电路分析、电子技术、电机与电力拖动，后续课程主要包括：传感器检测技术、过程控制技术、计算机控制技术、变频器应用技术、PLC控制系统、集散控制系统（DCS）。为此，在课程教学内容布局上，强化它们的联系。根据具体情况既可采用“蜻蜓点水”式的提示性关联，如数学建模、校正中涉及较多的电子电路，PID闭环控制涉及传感器、变频器、PLC、DCS实际应用；也可结合工程案例全方位对接，使学生充分意识到该课程的重要性。

二、以基本概念、建模、分析和校正为主线，实现理实一体化

自动控制的基本概念主要包括专业术语、系统组成、控制原理，其核心围绕控制系统、被控对象、控制器、执行机构、检测、输入、输出、控制量、被控量、干扰、目标值、反馈、方框图。概念是专业素养的基本支撑，但具有抽象、空洞的特点，不仅需要结合实例，讲清讲透，还要通过互动、自主学习的方式，让学生自我领悟精髓。

自动控制系统建模是系统性能分析和综合校正的基础，围绕建模的方法、模型的类型、模型的应用进行教学。其一，培养学生通过机理、实验方法和共享成果的方式构建数学模型，形成系统性、规律性的数学关系式，利用数学工具进行严密分析、推理、定量计算的逻辑思维。其二，通过微分方程、传递函数、结构图，不同模型类型可以相互转换，说明各有所长、适用于不同的场合。其三，在适当保留传统建模对象的基础上，结合工程案例如直流电机调速系统、水箱液位控制系统相关设备及系统建模的完整链，实现点面、理论实际的有机结合。

系统的分析及综合既要基于数学理论的经典代表，更应突出实际自动控制系统应用。采用自動控制理论相应的分析方法揭示系统的动态、静态特性，围绕系统稳、准、快的三个基本要求，采用时域分析法、频域分析法的步骤和结论确定系统的控制性能。系统的综合校正是由于系统的控制性能不能符合工艺质量要求，需要引入控制器。力求构建思路步骤，淡化数学论证推导，强化MATLAB应用和实验环节，尤其工程案例中的分析和综合具体应用。

三、重塑理论和实践教学

该课程传统上偏重理论，轻视实践，学生总体感觉课程枯燥乏味、无用。而应用型本科和高等职业教育需要突出应用性、实践性、职业性的原则，为此，打破以学科系统理论知识为主的课程体系，淡化理论教学，强化实践教学。理论实践课时比例由5∶1调整为1∶1，以实现理实一体化、项目教学法的根本转变。为此，需要大力精简、整合理论知识，迁移深化实践教学，采用“全方位式”实践教学。“全方位式”实践教学既要继承传统的实验平台，又需要引入更为实用的企业工程案例，跨越校内外实训平台和师资力量。

理论教学中将基本概念、基本分析方法、基本结论作为理论支撑，不仅需要保留，还需要进一步强化；而对于拉氏变换运算定理、典型环节的阶跃响应、框图的等效变换、曲线作图、无源校正网络等内容实行删减。

在系统的理论分析和校正基础上，强化实践教学，通过验证性基础实验，满足教学基本要求；通过设计性和综合性实验，提升创新意识；通过工程性应用，提升学生核心职业技能。为此，实践教学主要围绕两个方面：其一，基于MATLAB仿真软件平台实现数学模型的相互转换、时域分析响应求解、频域分析曲线绘制、系统校正性能分析，借助软件工具简化理论推导计算，从而降低学习难度。其二，引入具有代表性的自动控制系统工程案例，基于控制理论核心分别实现数学建模、时域分析、频域分析、系统校正性能分析，真正实现理论与实践的有机结合，深刻体会理论的指导意义。

四、引入工程案例

自动控制理论对学生的定性分析能力、定量估算能力、综合运用能力具有较高的要求，尤其结合专业技能的要求，需要培养分析问题、解决问题、综合应用理论指导工程实际的应用能力。为此，通过引入工程案例和企业兼职教师，提升实践应用能力，是整合课程内容的重点和特色；结合实验室条件和实际应用典型性，引入简单的单闭环水箱液位恒定控制和较复杂的多闭环直流电机调速控制系统两个案例。

（一）水箱液位恒定控制

1.系统概况。单容水箱液位PID控制系统主要由水箱、手阀、传感变送器、直流泵及PWM驱动器、PID调节器等设备组成。选用典型单回路控制系统，符合学生的特点和教学要求，涉及自动控制系统的有关概念、基本组成环节、系统的工作原理分析，实现理论与实践的接轨。

2.系统的数学模型和MATLAB仿真分析。水箱数学模型属于滞后的惯性环节：，由于t<

自动控制系统应满足“稳、准、快”三个基本要求，以水箱的数学模型作为系统的开环传递函数，引入常用的PID控制规律，构成单回路水箱液位恒定PID控制方案。系统的理论分析方法及主要内容为：时域分析法的阶跃响应输出以揭示动态性能指标、频域分析法的奈奎斯特曲线和伯德图揭示系统的稳定性。

由于MATLAB软件具有功能强大、高效实用特点，适用于对系统控制方案进行理论仿真分析。利用MATLAB软件完成复杂的数学计算及图形的绘制，结合自动控制系统的时域分析法和频域分析法的内涵、规律、结论及特性，分析系统不能满足快速性和准确性要求，为此，需要对系统进行校正设计，引入PI调节器。通过对单容水箱液位控制的仿真分析，以及PI参数调整前后性能的对比，使学生充分领会到理论分析对实际应用的指导意义，提升读图、观察响应曲线的基本技能。

3.系统PID控制运行。利用MATLAB软件对水箱液位控制进行了形象而直观的分析，充分体现了自动控制理论的数学建模、性能分析、校正控制方案三位一体高度融合；但对学生而言，依然处于空洞的想象之中。为此，应将自控原理与自控系统有机结合起来，即基于水箱液位PID控制系统A1000+智能仪表构筑测控平台，通过学生的调试、运行、观察、记录，使他们切身体会理论和实践互动的魅力，有助于理解和应用理论知识。

（二）直流电机调速控制

直流电机调速系统采用速度和电流双闭环控制方案，水箱液位控制属于单回路控制，通过引入更为复杂、实用的直流电机调速系统，进一步提升工程素质，为工程实践能力可持续发展奠定基础。下面基于数字式直流调速系统进行说明。

1.系统概况。系统功能框图主要包括：输入、速度环、电流环、触发逻辑及晶闸管主电路，除晶闸管主电路及触发驱动电路外，其他部分均由软件实现。输入部分由直接给定输入端进入系统，由软件进行数据处理。电流环由电流限幅和电流调节器组成，电流限幅对系统实现过电流保护，调节器实现PID控制。速度环主要实现PID控制，还可选择电枢电压、测速发电机、光电编码式负反馈模式，以及自适应功能，使调速系统的控制性能更加完美。数字调速系统的硬件包括模拟量输入（反馈输入）、模拟量输出、数字量输入、数字量输出、通信接口电路、CPU及存储器、控制及保护电路、主电路及励磁电路、控制电源。

2.系统的数学模型和MATLAB仿真分析。直流电动机的数学模型为，晶闸管整流电路、负反馈单元为比例环节，速度环、电流环为PID控制规律。利用MATLAB软件对系统的稳定性、稳态性能、动态性能仿真分析，完善和深化自动控制理论分析方法及特性应用。

3.系统调试运行。深入企业一线工艺场景，由企业兼职教师为主导，指导学生完成双闭环直流调速系统的调试、运行工作。系統调试基本过程及内容为：控制回路各单元和部件的检查和测试，主电路、继电保护电路的检查和电流开环的整定，开环调试及速度环的整定，系统闭环调试。在系统稳定运行并达到所需稳态精度后，对系统的动态性能进行测定和调整，观察并记录主要变量，并从中分析调节器参数对系统动态性能的影响，找出改善系统动态性能的调整趋势，使系统动、静态性能达到要求。同时分享企业工程师的实践经验，提升学生工程意识和工程应用能力。

总之，通过整合教学内容，实现理论与实践有机结合、分析问题与解决问题相结合，贯彻“教师为主导，学生为主体”的现代教育思想。尤其实现了理论分析计算、MATLAB仿真、工程案例“三位一体”，不仅提高了学生的综合素质，强化理论与实践互通意识及提升工程素质，也增强了学习的兴趣，为提升自动控制理论课程教学效果奠定了良好的基础。

【参考文献】

[1]廖芳芳.高职高专“全方位式”实践教学探索[J].广西教育，2013（11）

[2]孔凡才.自动控制原理与系统[M].北京：机械工业出版社，2011

[3]姜树杰.创建自动控制原理课程教学新思路[J].天津职业院校联合学报，2013（2）

【基金项目】广西机电职业技术学院“自动控制原理课程教学内容和方法改革探讨”成果（2016YKZ009）。

【作者简介】蒋兴加（1969— ），男，湖南道县人，广西机电职业技术学院教授，研究方向：自动控制。

（责编 丁 梦）