“自動(dòng)控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)研究與探索

聞 凱，王 恒，朱海霞，王志凌

（南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，江蘇 南京 211156）

“自動(dòng)控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)研究與探索

聞 凱，王 恒，朱海霞，王志凌

（南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，江蘇 南京 211156）

針對(duì)應(yīng)用型本科自動(dòng)化專業(yè)人才的培養(yǎng)，對(duì)“自動(dòng)控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行探索和研究，加強(qiáng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例分析。教學(xué)效果表明，實(shí)踐應(yīng)用是學(xué)生理解掌握知識(shí)的基礎(chǔ)，是提高學(xué)生自主創(chuàng)新和思維能力的關(guān)鍵所在。

自動(dòng)控制系統(tǒng)；教學(xué)研究；課程實(shí)踐

一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，包括圖1所示的每一個(gè)知識(shí)領(lǐng)域：對(duì)象與建模環(huán)節(jié)、執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)、信息傳輸與處理環(huán)節(jié)、控制器設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。其中，自動(dòng)化專業(yè)的核心即為控制與設(shè)計(jì)。面對(duì)各種各樣錯(cuò)綜復(fù)雜的系統(tǒng)，控制對(duì)象可能是確定的，也可能是隨機(jī)的；控制方法可能是常規(guī)的，也可能需要優(yōu)化設(shè)計(jì)。這樣的學(xué)科專業(yè)教師應(yīng)具有什么樣的知識(shí)結(jié)構(gòu)，學(xué)生具有什么樣的專業(yè)背景，這正是教師“教”與學(xué)生“學(xué)”的過程中的難點(diǎn)所在。

“自動(dòng)控制系統(tǒng)”作為自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的必修課程，該課程的特點(diǎn)是：綜合應(yīng)用性廣泛，理論知識(shí)面豐富，與實(shí)踐環(huán)節(jié)聯(lián)系緊密。在學(xué)生了解控制原理的基礎(chǔ)之上，接觸控制系統(tǒng)集成的概念，實(shí)現(xiàn)硬件和軟件的綜合、元件與系統(tǒng)的綜合，真正進(jìn)入“應(yīng)用與實(shí)踐”相結(jié)合的學(xué)習(xí)模式。針對(duì)應(yīng)用型本科人才的培養(yǎng)定位，本文對(duì)“自動(dòng)控制系統(tǒng)”課程的結(jié)構(gòu)體系、內(nèi)容方法和教學(xué)效果上作一些探討和研究。

圖1 典型控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一、第一堂課：興趣入門

“自動(dòng)控制系統(tǒng)”的先修課程包括“自動(dòng)控制原理”、“現(xiàn)代控制理論”、“電子技術(shù)”等，都是難度較大、理論性較強(qiáng)的抽象性思維課程，部分學(xué)生在學(xué)習(xí)的時(shí)候只能對(duì)一些公式、定理死記硬背，機(jī)械地應(yīng)付考試，以至于重要的知識(shí)點(diǎn)學(xué)完就忘，考完就丟，根本就沒有達(dá)到理解和掌握的程度。

為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，在課程設(shè)置的第一堂課就別出心裁，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室參觀學(xué)習(xí)，讓學(xué)生最先接觸到的是具體的控制系統(tǒng)，而非理論概念。學(xué)生在對(duì)控制過程有了直觀印象之后，就會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步深入了解的興趣，通過探究的方式提出自己的問題：先前學(xué)習(xí)的控制原理應(yīng)用在哪些方面，即將學(xué)習(xí)的控制系統(tǒng)又是如何來分析和設(shè)計(jì)的。在之后的課程學(xué)習(xí)中，學(xué)生帶著這樣的問題會(huì)尋求答案，并互相之間進(jìn)行交流和討論。教師也在教學(xué)的過程中，鼓勵(lì)學(xué)生的自主探究，并根據(jù)不同的知識(shí)點(diǎn)拋出新的問題，形成控制理論中典型的循環(huán)反饋結(jié)構(gòu)。在第一堂課，通過已知帶動(dòng)未知，抓住學(xué)生的好奇心，尋找合適的切入點(diǎn)，將學(xué)生引入自動(dòng)控制領(lǐng)域的興趣之門[1]。

二、課內(nèi)教學(xué)：因材施教

應(yīng)用型本科教育的培養(yǎng)模式，決定了教學(xué)必須以“應(yīng)用、實(shí)踐”為主，以“應(yīng)用知識(shí)能力”作為培養(yǎng)學(xué)生成才的核心?！白詣?dòng)控制系統(tǒng)”的課內(nèi)教學(xué)包括三個(gè)部分：56個(gè)學(xué)時(shí)的理論授課，8學(xué)時(shí)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，以及1周的課程設(shè)計(jì)。在基礎(chǔ)理論教授的同時(shí)，通過建立幾個(gè)貫穿整個(gè)課程體系的工程實(shí)例，來加深學(xué)生對(duì)概念的理解，把前后所學(xué)的專業(yè)知識(shí)融合起來，形成對(duì)系統(tǒng)的認(rèn)知、分析和設(shè)計(jì)的過程。

（一）教學(xué)內(nèi)容的精選

“自動(dòng)控制系統(tǒng)”的主要內(nèi)容就在于研究系統(tǒng)的特性，即穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能，根據(jù)給出性能指標(biāo)運(yùn)用多種方法來設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器，得到良好的輸出響應(yīng)。教師在講課過程中，不僅僅要把基本原理和基本方法講清楚、教明白，讓學(xué)生理解“控制”的概念，還要把每一章節(jié)的內(nèi)容通過具體的工程實(shí)例，生動(dòng)地展現(xiàn)出理論的應(yīng)用價(jià)值。

學(xué)院自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)設(shè)備包括如下幾套裝置：倒立擺控制系統(tǒng)、磁懸浮控制系統(tǒng)、球桿控制系統(tǒng)、數(shù)字隨動(dòng)控制系統(tǒng)和小型水箱過程控制系統(tǒng)，自動(dòng)化專業(yè)所學(xué)的理論知識(shí)都能在這些實(shí)驗(yàn)裝置上集中體現(xiàn)。就以球桿系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)是自動(dòng)控制學(xué)習(xí)中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，是一個(gè)典型的開環(huán)、非線性不穩(wěn)定系統(tǒng)，它的許多特性都是控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。它的非線性主要體現(xiàn)在電機(jī)圓形轉(zhuǎn)子和橫桿角度的傳動(dòng)關(guān)系上，它的不穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在球桿的角度和小球位置的控制上。其對(duì)于控制理論學(xué)科來講，是一個(gè)非常適于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和開發(fā)研究的教學(xué)平臺(tái)[2]。

圖2 球桿系統(tǒng)原理

利用球桿的“物理特性”建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，如圖2所示，即描述出被控對(duì)象的微分方程或傳遞函數(shù)，其中包括將非線性模型進(jìn)行線性化，建立狀態(tài)空間表達(dá)式的過程。其次，定義小球位置為輸出量、齒輪角度為輸入量，分析在不加任何控制環(huán)節(jié)時(shí)球桿系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，得出其開環(huán)不穩(wěn)定性。最后設(shè)計(jì)多種控制器：PID控制器、根軌跡控制器、頻率響應(yīng)控制器的控制效果，選擇最優(yōu)控制算法。通過這樣的系統(tǒng)實(shí)例解析，讓學(xué)生掌握分析問題和解決問題的能力。

（二）教學(xué)模式的發(fā)展

“自動(dòng)控制系統(tǒng)”的實(shí)踐性較強(qiáng)，教師在課堂教學(xué)時(shí)也以自動(dòng)化工程師角度對(duì)學(xué)生授課，真正實(shí)現(xiàn)“雙師型”教育。教學(xué)的模式也在逐步發(fā)展，從以往簡單的教與學(xué)，發(fā)展到現(xiàn)在多種模式并存。除上文提到的探究式教學(xué)、案例式教學(xué)外，還可采用討論式、對(duì)比式等方法，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，挖掘?qū)W生自身的學(xué)習(xí)意識(shí)[3]。

在授課過程中將多媒體技術(shù)的形象性、板書推導(dǎo)的條理性與教師講解的系統(tǒng)性有機(jī)結(jié)合起來[4]。在近年的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，雖然使用多媒體課件教學(xué)能大大增加課程信息量，但正是由于信息量巨大，反而會(huì)使得部分學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)充滿迷惑，不知道哪部分內(nèi)容為重點(diǎn)，覺得知識(shí)點(diǎn)過多而無法全部掌握。因此，板書的推導(dǎo)決不能忽視，將一些重要定理及公式推導(dǎo)在板書上復(fù)現(xiàn)，能夠加深學(xué)生對(duì)重點(diǎn)內(nèi)容的記憶，形成一個(gè)主次分明，結(jié)構(gòu)完整的知識(shí)體系。當(dāng)然這對(duì)教師則提出了更高的要求，脫稿的板書書寫并對(duì)內(nèi)容做實(shí)時(shí)解析，讓學(xué)生受益匪淺。

（三）教學(xué)實(shí)踐的加強(qiáng)

教學(xué)實(shí)踐對(duì)于整個(gè)教學(xué)體系而言，是非常重要的組成部分，在重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決問題能力和創(chuàng)新意識(shí)能力的現(xiàn)代教學(xué)，動(dòng)手操作環(huán)節(jié)所占的比重越來越大。如何將一個(gè)控制系統(tǒng)“動(dòng)起來”，所涉及范圍較為廣泛，還包括其他課程，如計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)等，實(shí)踐教學(xué)將這些課程合為一個(gè)系統(tǒng)，展現(xiàn)在學(xué)生面前，使學(xué)生加深對(duì)課程甚至自動(dòng)化專業(yè)的理解。

MATLAB仿真軟件作為先修課程單獨(dú)授課，學(xué)生們對(duì)此已經(jīng)比較熟悉，對(duì)控制系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證可以作為課內(nèi)輔助教學(xué)來增加課堂的趣味性和定理的可信度，也是實(shí)踐操作環(huán)節(jié)的重要一步[5]。以磁懸浮控制系統(tǒng)為例，在建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型之后，可以設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的模糊PID控制器，通過MATLAB進(jìn)行仿真驗(yàn)證（如圖3），最后在實(shí)際控制系統(tǒng)上調(diào)試實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。

圖3 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

三、課外拓展：學(xué)以致用

“自動(dòng)控制系統(tǒng)”的學(xué)習(xí)不僅僅局限于課內(nèi)教學(xué)，也應(yīng)積極拓展課外訓(xùn)練，學(xué)以致用，加強(qiáng)學(xué)生的科研創(chuàng)新能力。如指導(dǎo)學(xué)生完成創(chuàng)新項(xiàng)目“倒立擺系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)”，開發(fā)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)校園內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)和實(shí)時(shí)監(jiān)控，大大提高了教學(xué)儀器裝置的利用率。組織部分優(yōu)秀學(xué)生加入創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，以現(xiàn)有控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研發(fā)環(huán)形倒立擺裝置，獲得全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽的優(yōu)異成績。

四、總結(jié)

專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)并不以考試合格作為最終目標(biāo)，而是以實(shí)踐應(yīng)用作為理解掌握的基礎(chǔ)。對(duì)“自動(dòng)控制系統(tǒng)”課程進(jìn)行教學(xué)研究和探索，不僅僅是對(duì)課程本身進(jìn)行優(yōu)化和提煉，更重要的是在為培養(yǎng)高等技術(shù)應(yīng)用型人才而努力。

[1]唐超穎，姜斌.“自動(dòng)控制原理”課程的探究性教學(xué)實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（6）：91-93.

[2]魏衡華.“系統(tǒng)與控制”實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究與建設(shè)[J].教育與現(xiàn)代化，2003，（3）：9-12.

[3]李振龍，喬俊飛，孫亮，等.自動(dòng)控制原理課程體系結(jié)構(gòu)和教學(xué)方法探討[J].教學(xué)研究，2009，32（2）：66-68.

[4]周立，趙凱，李煒，等.“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)研究與改革[J].中國電力教育，2009，（20）：74-75.

[5]楊婕，程麗平，孫霞，等.應(yīng)用型本科“自動(dòng)控制原理”課程改革及實(shí)踐[J].中國電力教育，2010，（4）：111-112.

G642.0

A

1674-9324（2014）42-0171-02

本文系2013年南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2013-Y-04）的部分研究成果。

聞凱（1983-），男，漢族，江蘇江陰，南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院講師，主要從事自動(dòng)控制系統(tǒng)、智能控制研究。