自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革探討

李可+趙德安

摘 要 自動(dòng)控制原理是重要的基礎(chǔ)課程，具有理論性強(qiáng)、知識(shí)面廣等特點(diǎn)。通過對(duì)實(shí)踐教學(xué)中的授課方法、考核方式等方面的研究發(fā)現(xiàn)，將實(shí)例貫穿于理論教學(xué)過程中，可以激發(fā)學(xué)生的上課興趣，幫助他們提高分析問題、解決問題的綜合應(yīng)變能力。通過實(shí)踐表明，教學(xué)效果顯著提高。

關(guān)鍵詞 自動(dòng)控制原理 教學(xué)內(nèi)容 教學(xué)改革 實(shí)例

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Teaching Reform of Automatic Control Theory Course

LI Ke， ZHAO Dean

（School of Electrical and Information Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013）

Abstract "Automatic Control Theory" is an important foundation course with theory and strong， broad knowledge and so on. Through the study of aspects of teaching practice teaching methods， assessment methods found instances throughout the process of teaching the theory， can stimulate students' interest in school， help them improve analyze and solve problems overall resilience. Through practice showed significantly improve teaching effectiveness.

Key words automatic control theory； teaching content； teaching reform； example

0 引言

自動(dòng)控制原理作為高等院校工科類學(xué)生必修的基礎(chǔ)課程，在電氣、機(jī)械、熱能等專業(yè)中處于非常重要的地位。自動(dòng)控制原理是研究控制系統(tǒng)在控制過程中動(dòng)、靜態(tài)性能的理論工具，理論性強(qiáng)、綜合性大，需要教師認(rèn)真設(shè)置授課內(nèi)容，組合多種教學(xué)方法，以達(dá)到傳遞課程知識(shí)點(diǎn)的目的。對(duì)已有控制系統(tǒng)性能分析、評(píng)價(jià)以及根據(jù)要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)是學(xué)生掌握該課程的最終目標(biāo)。本文從課程整體出發(fā)，針對(duì)教學(xué)過程中存在的弊端，提出在實(shí)踐中應(yīng)加以實(shí)際系統(tǒng)為對(duì)象，建立數(shù)學(xué)模型，分析系統(tǒng)性能，評(píng)價(jià)并進(jìn)行必要校正，將理論基礎(chǔ)與實(shí)際應(yīng)用有效結(jié)合，以幫助學(xué)生提高其綜合應(yīng)用專業(yè)知識(shí)分析工程問題的能力。

1 梳理課程內(nèi)容，建立知識(shí)框架

自動(dòng)控制原理主要以帶有負(fù)反饋裝置的閉環(huán)系統(tǒng)為討論對(duì)象。課程內(nèi)容分為自動(dòng)控制的基本概念、自控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與校正、非線性系統(tǒng)以及離散控制系統(tǒng)分析等幾部分。以線性系統(tǒng)為研究對(duì)象，可以在時(shí)域（變量）、復(fù)數(shù)域（變量）、頻域（變量）等不同的數(shù)學(xué)環(huán)境中進(jìn)行分析求解。對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分別為：微分方程，傳遞函數(shù)及頻率表達(dá)式，三種數(shù)學(xué)表達(dá)式可以根據(jù)不同域中變量間的關(guān)系進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。環(huán)境不同，系統(tǒng)的分析方法也有所區(qū)別，有時(shí)域法、根軌跡法、頻域法三種。對(duì)控制系統(tǒng)三個(gè)最基本的要求為穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能（快速性和平穩(wěn)性）、準(zhǔn)確性。三種性能相互制約、相互影響，分析并解決這類矛盾，是研究控制系統(tǒng)的重要內(nèi)容。圖1建立了線性系統(tǒng)的主要知識(shí)框架圖。

2 教學(xué)中實(shí)際存在的問題及改革措施

2.1 實(shí)際存在的問題

通過教學(xué)實(shí)踐，從學(xué)生掌握課本知識(shí)的程度以及對(duì)考核方式的分析來看，在教學(xué)過程中實(shí)際存在以下一些問題：

（1）基礎(chǔ)知識(shí)面廣、教學(xué)方式與考核方式的單一。自動(dòng)控制原理涉及的學(xué)科較多，如數(shù)學(xué)、物理、電路、數(shù)模電、電機(jī)、機(jī)械等。前期基礎(chǔ)知識(shí)掌握不牢固，后期加上本課程理論性強(qiáng)，內(nèi)容量大，課程課時(shí)少等多方面因素，學(xué)生會(huì)覺得本課程較難學(xué)習(xí)。目前的授課方式主要以理論講解和推導(dǎo)公式為主，通常忽略理論與控制系統(tǒng)實(shí)例的結(jié)合。課后學(xué)生機(jī)械地記定理、背公式、做習(xí)題，期末以一張?jiān)嚲韼椎烙?jì)算題定期末成績(jī)。部分學(xué)生只需在考前一兩周強(qiáng)行記憶計(jì)算題型即可以輕松通過考試，對(duì)問題的來龍去脈一概不知。這些情況都客觀地反映出現(xiàn)有教學(xué)方式和考核方式的局限性和不合理性。

（2）理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)?；诮虒W(xué)方式與考核方式的局限性，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對(duì)實(shí)用性認(rèn)識(shí)模糊，忽視了自動(dòng)控制原理的工程意義，它需要解決的是實(shí)際工程項(xiàng)目問題。學(xué)生在面對(duì)某一具體問題時(shí)，從理論上不知如何運(yùn)用相關(guān)知識(shí)去分析、解決問題，實(shí)踐中不能將實(shí)驗(yàn)分析方法很好地結(jié)合到理論研究中，理論與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)，不能培養(yǎng)具有綜合應(yīng)用能力的實(shí)干型人才，造成學(xué)無所用的現(xiàn)象。

2.2 教學(xué)改革的具體措施

針對(duì)實(shí)際教學(xué)中存在的問題，為了從本質(zhì)上提高教學(xué)水平和質(zhì)量，提高學(xué)生的積極主動(dòng)性，有必要對(duì)自動(dòng)控制原理授課方式和內(nèi)容作出改革和創(chuàng)新，在牢固學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)從系統(tǒng)的角度改變學(xué)生的傳統(tǒng)解題思維，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立分析、解決問題的方法，提高學(xué)生的綜合應(yīng)變能力。具體措施如下：

（1）明確本課程的教學(xué)目的。教師應(yīng)以系統(tǒng)的觀點(diǎn)傳遞本課程的中心思想，要以概要性、引導(dǎo)性的講解帶領(lǐng)學(xué)生建立控制理論的概念，學(xué)會(huì)控制系統(tǒng)的分析方法。在教學(xué)中應(yīng)當(dāng)注重基本概念和基本原理的講解，淡化其中的計(jì)算過程。借助數(shù)學(xué)工具，發(fā)現(xiàn)各種理論方法的關(guān)聯(lián)性，觸類旁通，靈活應(yīng)用。

（2）改變考核方式。轉(zhuǎn)變用一卷定成績(jī)的方式來判斷學(xué)生對(duì)本課程的掌握程度，把傳統(tǒng)的考試方式改為對(duì)學(xué)生綜合能力的考核。經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí)和積累，串通各類知識(shí)點(diǎn)，開拓解決問題的新思路，掌握系統(tǒng)的分析方法，提出多個(gè)可行的解決方案。endprint

（3）將理論知識(shí)和實(shí)際工程緊密聯(lián)系。注重介紹控制學(xué)科發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)，選取控制工程中的典型實(shí)例，通過實(shí)例了解控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論分析和設(shè)計(jì)技術(shù)，能更好地學(xué)習(xí)掌握自動(dòng)控制的理論，具備對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定性分析、定量估算和動(dòng)態(tài)仿真的能力，為專業(yè)課學(xué)習(xí)和參加控制工程實(shí)踐打下必要的基礎(chǔ)。

3 “實(shí)例+原理”分析控制系統(tǒng)

基于本課程理論性較強(qiáng)，知識(shí)點(diǎn)覆蓋面廣，學(xué)生對(duì)分析控制系統(tǒng)的思路不明了的特點(diǎn)，引入一個(gè)實(shí)例用于自動(dòng)控制原理的講解過程。以實(shí)例加深理論應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生以系統(tǒng)的觀點(diǎn)綜合分析解決問題。以某轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)為例介紹分析過程，主要包括以下四個(gè)步驟：

（1）建立轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)控制系統(tǒng)原理圖，畫出系統(tǒng)方塊圖，確定輸入輸出量及中間變量，由于微分方程在高階系統(tǒng)求解過程中的復(fù)雜性，可直接將各變量寫成拉氏變換型，根據(jù)元件的工作原理和作用，求得各部分的傳遞函數(shù)，最后消除中間變量得出總的傳遞函數(shù)表達(dá)式，即為轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

（2）分析控制系統(tǒng)性能。鑒于頻率特性分析法的優(yōu)點(diǎn)及在工程中的廣泛使用，本例可選取頻率法分析系統(tǒng)。根據(jù)Nyquist穩(wěn)定判據(jù)，利用Nyquist曲線在坐標(biāo)圖中的分布可判斷該轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，相對(duì)穩(wěn)定性亦可計(jì)算相角裕度、幅值裕度得出。分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，可參照半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中Bode曲線的各分段直線，其中以穿過零分貝線的中頻段尤為重要。中頻段直線的斜率越小，平穩(wěn)性越好；截止頻率越大，快速性越高。

（3）評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能好壞，確定對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正與否。常用的幾種電氣校正裝置方式有超前、滯后以及滯后—超前校正裝置，根據(jù)對(duì)控制系統(tǒng)性能要求，如需改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能則選取超前校正裝置；如需改善系統(tǒng)靜態(tài)性能則選擇滯后校正裝置；對(duì)于在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能均要求很高的系統(tǒng)則應(yīng)選取滯后—超前校正裝置。

（4）對(duì)校正后的系統(tǒng)進(jìn)行性能分析，驗(yàn)證校正的合理性。校驗(yàn)校正后系統(tǒng)是否滿足給定指標(biāo)的要求，如果校正后已全部滿足性能指標(biāo)的要求，則根據(jù)校正網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)選定合適的電氣元件的數(shù)值，設(shè)計(jì)工作結(jié)束。反之，則需再次選擇合理參數(shù)，重新計(jì)算，直至滿足系統(tǒng)的指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

筆者結(jié)合自動(dòng)控制原理的實(shí)踐教學(xué)，提出了建議和改革措施，探討了在授課過程中將工程實(shí)例滲入各章理論知識(shí)的教學(xué)方法，有利于加強(qiáng)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)的掌握。此外，在教學(xué)過程中適當(dāng)借助硬件設(shè)備和軟件分析工具，鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，能夠提高其綜合分析應(yīng)用能力。以系統(tǒng)的概念，幫助學(xué)生樹立全新的邏輯思維模式來分析問題、解決問題，為今后的學(xué)習(xí)和工作奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 高國(guó)燊，等.自動(dòng)控制原理[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2009.

[2] 程鵬.自動(dòng)控制原理[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3] 崔治，崔憲普.Matlab仿真在自動(dòng)控制原理課程教學(xué)中的應(yīng)用軟件技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（18）.

[4] 周武能，等.自動(dòng)控制原理教學(xué)改革與實(shí)踐[J].教學(xué)研究，2010.33（1）.endprint

（3）將理論知識(shí)和實(shí)際工程緊密聯(lián)系。注重介紹控制學(xué)科發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)，選取控制工程中的典型實(shí)例，通過實(shí)例了解控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論分析和設(shè)計(jì)技術(shù)，能更好地學(xué)習(xí)掌握自動(dòng)控制的理論，具備對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定性分析、定量估算和動(dòng)態(tài)仿真的能力，為專業(yè)課學(xué)習(xí)和參加控制工程實(shí)踐打下必要的基礎(chǔ)。

3 “實(shí)例+原理”分析控制系統(tǒng)

基于本課程理論性較強(qiáng)，知識(shí)點(diǎn)覆蓋面廣，學(xué)生對(duì)分析控制系統(tǒng)的思路不明了的特點(diǎn)，引入一個(gè)實(shí)例用于自動(dòng)控制原理的講解過程。以實(shí)例加深理論應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生以系統(tǒng)的觀點(diǎn)綜合分析解決問題。以某轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)為例介紹分析過程，主要包括以下四個(gè)步驟：

（1）建立轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)控制系統(tǒng)原理圖，畫出系統(tǒng)方塊圖，確定輸入輸出量及中間變量，由于微分方程在高階系統(tǒng)求解過程中的復(fù)雜性，可直接將各變量寫成拉氏變換型，根據(jù)元件的工作原理和作用，求得各部分的傳遞函數(shù)，最后消除中間變量得出總的傳遞函數(shù)表達(dá)式，即為轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

（2）分析控制系統(tǒng)性能。鑒于頻率特性分析法的優(yōu)點(diǎn)及在工程中的廣泛使用，本例可選取頻率法分析系統(tǒng)。根據(jù)Nyquist穩(wěn)定判據(jù)，利用Nyquist曲線在坐標(biāo)圖中的分布可判斷該轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，相對(duì)穩(wěn)定性亦可計(jì)算相角裕度、幅值裕度得出。分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，可參照半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中Bode曲線的各分段直線，其中以穿過零分貝線的中頻段尤為重要。中頻段直線的斜率越小，平穩(wěn)性越好；截止頻率越大，快速性越高。

（3）評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能好壞，確定對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正與否。常用的幾種電氣校正裝置方式有超前、滯后以及滯后—超前校正裝置，根據(jù)對(duì)控制系統(tǒng)性能要求，如需改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能則選取超前校正裝置；如需改善系統(tǒng)靜態(tài)性能則選擇滯后校正裝置；對(duì)于在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能均要求很高的系統(tǒng)則應(yīng)選取滯后—超前校正裝置。

（4）對(duì)校正后的系統(tǒng)進(jìn)行性能分析，驗(yàn)證校正的合理性。校驗(yàn)校正后系統(tǒng)是否滿足給定指標(biāo)的要求，如果校正后已全部滿足性能指標(biāo)的要求，則根據(jù)校正網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)選定合適的電氣元件的數(shù)值，設(shè)計(jì)工作結(jié)束。反之，則需再次選擇合理參數(shù)，重新計(jì)算，直至滿足系統(tǒng)的指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

筆者結(jié)合自動(dòng)控制原理的實(shí)踐教學(xué)，提出了建議和改革措施，探討了在授課過程中將工程實(shí)例滲入各章理論知識(shí)的教學(xué)方法，有利于加強(qiáng)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)的掌握。此外，在教學(xué)過程中適當(dāng)借助硬件設(shè)備和軟件分析工具，鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，能夠提高其綜合分析應(yīng)用能力。以系統(tǒng)的概念，幫助學(xué)生樹立全新的邏輯思維模式來分析問題、解決問題，為今后的學(xué)習(xí)和工作奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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[3] 崔治，崔憲普.Matlab仿真在自動(dòng)控制原理課程教學(xué)中的應(yīng)用軟件技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（18）.

[4] 周武能，等.自動(dòng)控制原理教學(xué)改革與實(shí)踐[J].教學(xué)研究，2010.33（1）.endprint

（3）將理論知識(shí)和實(shí)際工程緊密聯(lián)系。注重介紹控制學(xué)科發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)，選取控制工程中的典型實(shí)例，通過實(shí)例了解控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、理論分析和設(shè)計(jì)技術(shù)，能更好地學(xué)習(xí)掌握自動(dòng)控制的理論，具備對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定性分析、定量估算和動(dòng)態(tài)仿真的能力，為專業(yè)課學(xué)習(xí)和參加控制工程實(shí)踐打下必要的基礎(chǔ)。

3 “實(shí)例+原理”分析控制系統(tǒng)

基于本課程理論性較強(qiáng)，知識(shí)點(diǎn)覆蓋面廣，學(xué)生對(duì)分析控制系統(tǒng)的思路不明了的特點(diǎn)，引入一個(gè)實(shí)例用于自動(dòng)控制原理的講解過程。以實(shí)例加深理論應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生以系統(tǒng)的觀點(diǎn)綜合分析解決問題。以某轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)為例介紹分析過程，主要包括以下四個(gè)步驟：

（1）建立轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)控制系統(tǒng)原理圖，畫出系統(tǒng)方塊圖，確定輸入輸出量及中間變量，由于微分方程在高階系統(tǒng)求解過程中的復(fù)雜性，可直接將各變量寫成拉氏變換型，根據(jù)元件的工作原理和作用，求得各部分的傳遞函數(shù)，最后消除中間變量得出總的傳遞函數(shù)表達(dá)式，即為轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

（2）分析控制系統(tǒng)性能。鑒于頻率特性分析法的優(yōu)點(diǎn)及在工程中的廣泛使用，本例可選取頻率法分析系統(tǒng)。根據(jù)Nyquist穩(wěn)定判據(jù)，利用Nyquist曲線在坐標(biāo)圖中的分布可判斷該轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，相對(duì)穩(wěn)定性亦可計(jì)算相角裕度、幅值裕度得出。分析系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，可參照半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中Bode曲線的各分段直線，其中以穿過零分貝線的中頻段尤為重要。中頻段直線的斜率越小，平穩(wěn)性越好；截止頻率越大，快速性越高。

（3）評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能好壞，確定對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正與否。常用的幾種電氣校正裝置方式有超前、滯后以及滯后—超前校正裝置，根據(jù)對(duì)控制系統(tǒng)性能要求，如需改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能則選取超前校正裝置；如需改善系統(tǒng)靜態(tài)性能則選擇滯后校正裝置；對(duì)于在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能均要求很高的系統(tǒng)則應(yīng)選取滯后—超前校正裝置。

（4）對(duì)校正后的系統(tǒng)進(jìn)行性能分析，驗(yàn)證校正的合理性。校驗(yàn)校正后系統(tǒng)是否滿足給定指標(biāo)的要求，如果校正后已全部滿足性能指標(biāo)的要求，則根據(jù)校正網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)選定合適的電氣元件的數(shù)值，設(shè)計(jì)工作結(jié)束。反之，則需再次選擇合理參數(shù)，重新計(jì)算，直至滿足系統(tǒng)的指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

筆者結(jié)合自動(dòng)控制原理的實(shí)踐教學(xué)，提出了建議和改革措施，探討了在授課過程中將工程實(shí)例滲入各章理論知識(shí)的教學(xué)方法，有利于加強(qiáng)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)的掌握。此外，在教學(xué)過程中適當(dāng)借助硬件設(shè)備和軟件分析工具，鍛煉學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，能夠提高其綜合分析應(yīng)用能力。以系統(tǒng)的概念，幫助學(xué)生樹立全新的邏輯思維模式來分析問題、解決問題，為今后的學(xué)習(xí)和工作奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 程鵬.自動(dòng)控制原理[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3] 崔治，崔憲普.Matlab仿真在自動(dòng)控制原理課程教學(xué)中的應(yīng)用軟件技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（18）.

[4] 周武能，等.自動(dòng)控制原理教學(xué)改革與實(shí)踐[J].教學(xué)研究，2010.33（1）.endprint