“自动控制原理”课程教学方式优化与实践

陈琦

（西安文理学院，陕西 西安 710065）

1 现状背景

“自动控制原理”课程是自动化专业、测控技术与仪器专业等相关专业的核心课程，这一课程知识在许多工程技术领域中有着广泛应用。它是自动控制技术的基础理论，是一门理论性较强的工程科学。课程的特点是理论较抽象，对数学知识要求高，学生往往感到难以理解，更谈不上融会贯通。原有的教学模式主要是教师课堂通过板书或者辅助PPT 传授理论知识，课下学生写作业复习巩固。这种传统的教学方式显然不利于应用型本科人才培养目标的实现。为了更好地调动学生学习的积极性，改变学生被动学习的状态，进一步提高学生自主学习能力、实践创新能力，从而更有效地将理论知识与工程实践相结合，需要对目前“自控原理”课程教学方式进行优化。

2 教学方式改革的优化与实践

2.1 线上线下混合式教学模式

在“互联网+”快速发展的新形势下，为进一步提高学生的自主学习能力、培养学生的创新意识及独立分析问题和解决问题的能力，根据“自动控制原理”课程的培养目标要求，依托泛雅教学平台，优化原有的教学模式，积极开展线上线下混合式教学。教师先将课程资料上传到网上教学平台，并通过网上教学平台发布课前预习任务，学生根据任务要求有针对地开展自主学习，并完成预习作业，这样在上课前对本节内容的重难点及涉及的知识点做到心中有数，避免因基础差异而导致部分学生上课听不懂，进而丧失学习的信心，出现抄作业、旷课以及上课睡觉等情况。以学生为主体，以教师为主导，激发和活跃学生的思维，提高学生听课的积极性、主动性和学习效率。在预习知识点的基础上，利用课堂时间进一步理解、消化和吸收教学内容。比如，自动控制系统的核心是反馈控制，如何让学生理解反馈的含义至关重要。在布置预习任务时先给出一幅人工控制炉温的图，让学生试着回答工作过程。然后，提出问题：如果将人所做的工作换成自动控制装置，需要如何设计这个装置？让学生带着这个问题进入课堂，在讲解这个知识点的过程中可以提出反馈的机理。再将自动控制炉温控制原理图给出来的时候，学生将自然明白反馈的基本原理，并且印象深刻。

依托网上教学平台，布置章节测试题，根据教学内容随机、分阶段进行，主要考核学生对各重点章节的掌握程度，对学生的平时学习形成阶段性的检验，也对学生起到经常性的督促作用，同时还能及时发现学生学习中存在的问题，以便随时采取措施弥补前一阶段教学中的不足。

2.2 Matlab 仿真软件的应用

Matlab 是美国MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括Matlab 和Simulink两大部分，比用C、FORTRAN 等语言完成相同的事情快捷得多。Matlab 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。在自控原理的教学过程中，将Matlab 和自动控制理论有机结合起来，利用Matlab 对控制系统进行数字仿真，培养学生应用计算机辅助分析和设计控制系统的能力，有助于学生独立思考和创新能力的培养。下面以典型控制系统举例说明Matlab 的应用。

用MATLAB 绘出系统校正前后的伯德图程序如下：

k0=5;

n1=1;

d1=conv([1 0],conv([1 1],[0.5 1]));

[mag,phase,w]=bode(k0*n1,d1);

figure(1);

margin(mag,phase,w);

k0=5;

n2=[10 1];

d2=conv(conv(conv([1 0],[1 1]),[0.5 1]),[120 1]);

[mag,phase,w]=bode(k0*n2,d2);

figure(2);

margin(mag,phase,w);

校正前后系统的Bode 图如图1 所示。

由校正后系统的伯德图可知，系统的剪切频率ωc=0.393s-1，相角裕度γ0=44.3°，与计算值基本符合，满足相角裕度γ≥40°，校正后幅值裕度h=15.9 dB，与计算值基本符合，满足幅值裕度h≥10 dB。

图1 校正前后系统Bode 图

用Matlab 绘出校正前后系统的阶跃响应图程序如下：

k0=5;

n1=1;

d1=conv([1 0],conv([1 1],[0.5 1]));

t=0:0.001:30;

G1=tf(k0*n1,d1);

sys1=feedback(G1,1);

n2=[10 1];

d2=conv(conv(conv([1 0],[1 1]),[0.5 1]),[120 1]);

G2=tf(k0*n2,d2);

sys2=feedback(G2,1);

subplot(2,1,1);step(sys1,"-",t);

subplot(2,1,2);step(sys2,"-.",t);

校正前后系统的阶跃响应图如图2 所示。

图2 校正前后系统的阶跃响应图

在单位阶跃响应曲线上可得到系统的超调量和调节时间，由图2 可以看出，校正后系统的超调量变小，调节时间变短，可知校正后系统的性能显著提高。

3 结语

通过对“自动控制原理”课程教学方式的优化与实践，加深了学生对控制理论基本概念的理解吸收，激发了学生对“自动控制原理”课程的浓厚兴趣，同时又培养了学生计算机辅助设计分析的能力，提高了解决实际问题的能力和创新意识。