自動控制理論課程教學(xué)體系探討

【摘 要】本文提出圍繞自動控制理論課程的基本教學(xué)目標(biāo)，構(gòu)筑適應(yīng)教學(xué)目標(biāo)、課程特色、教學(xué)現(xiàn)狀的內(nèi)容體系，以期實現(xiàn)提高教學(xué)質(zhì)量和提升學(xué)生工程應(yīng)用能力的目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】自動控制理論 教學(xué)體系 工程案例

【中圖分類號】G 【文獻標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）07C-0068-02

自動控制理論課程具有理論性、實踐性和綜合性很強的特點，與前期、后續(xù)課程關(guān)系密切。就教學(xué)體系而言，總體沿用理論、實驗、工程實例的新格局，整合三者的關(guān)系。教學(xué)內(nèi)容是保證教學(xué)質(zhì)量的基本載體，本文提出根據(jù)專業(yè)服務(wù)面向、就業(yè)去向、就業(yè)崗位，以職業(yè)能力標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，將職業(yè)崗位關(guān)鍵能力培養(yǎng)融入課程教學(xué)體系，體現(xiàn)控制理論在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用，從而扭轉(zhuǎn)自動控制理論課程教學(xué)困境。

一、對接其他課程，突出課程地位

自動控制理論作為控制類專業(yè)基礎(chǔ)課，具有承上啟下的作用。其前期課程主要包括：數(shù)學(xué)、物理學(xué)、電路分析、電子技術(shù)、電機與電力拖動，后續(xù)課程主要包括：傳感器檢測技術(shù)、過程控制技術(shù)、計算機控制技術(shù)、變頻器應(yīng)用技術(shù)、PLC控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)（DCS）。為此，在課程教學(xué)內(nèi)容布局上，強化它們的聯(lián)系。根據(jù)具體情況既可采用“蜻蜓點水”式的提示性關(guān)聯(lián)，如數(shù)學(xué)建模、校正中涉及較多的電子電路，PID閉環(huán)控制涉及傳感器、變頻器、PLC、DCS實際應(yīng)用；也可結(jié)合工程案例全方位對接，使學(xué)生充分意識到該課程的重要性。

二、以基本概念、建模、分析和校正為主線，實現(xiàn)理實一體化

自動控制的基本概念主要包括專業(yè)術(shù)語、系統(tǒng)組成、控制原理，其核心圍繞控制系統(tǒng)、被控對象、控制器、執(zhí)行機構(gòu)、檢測、輸入、輸出、控制量、被控量、干擾、目標(biāo)值、反饋、方框圖。概念是專業(yè)素養(yǎng)的基本支撐，但具有抽象、空洞的特點，不僅需要結(jié)合實例，講清講透，還要通過互動、自主學(xué)習(xí)的方式，讓學(xué)生自我領(lǐng)悟精髓。

自動控制系統(tǒng)建模是系統(tǒng)性能分析和綜合校正的基礎(chǔ)，圍繞建模的方法、模型的類型、模型的應(yīng)用進行教學(xué)。其一，培養(yǎng)學(xué)生通過機理、實驗方法和共享成果的方式構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，形成系統(tǒng)性、規(guī)律性的數(shù)學(xué)關(guān)系式，利用數(shù)學(xué)工具進行嚴(yán)密分析、推理、定量計算的邏輯思維。其二，通過微分方程、傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖，不同模型類型可以相互轉(zhuǎn)換，說明各有所長、適用于不同的場合。其三，在適當(dāng)保留傳統(tǒng)建模對象的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程案例如直流電機調(diào)速系統(tǒng)、水箱液位控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備及系統(tǒng)建模的完整鏈，實現(xiàn)點面、理論實際的有機結(jié)合。

系統(tǒng)的分析及綜合既要基于數(shù)學(xué)理論的經(jīng)典代表，更應(yīng)突出實際自動控制系統(tǒng)應(yīng)用。采用自動控制理論相應(yīng)的分析方法揭示系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)特性，圍繞系統(tǒng)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的三個基本要求，采用時域分析法、頻域分析法的步驟和結(jié)論確定系統(tǒng)的控制性能。系統(tǒng)的綜合校正是由于系統(tǒng)的控制性能不能符合工藝質(zhì)量要求，需要引入控制器。力求構(gòu)建思路步驟，淡化數(shù)學(xué)論證推導(dǎo)，強化MATLAB應(yīng)用和實驗環(huán)節(jié)，尤其工程案例中的分析和綜合具體應(yīng)用。

三、重塑理論和實踐教學(xué)

該課程傳統(tǒng)上偏重理論，輕視實踐，學(xué)生總體感覺課程枯燥乏味、無用。而應(yīng)用型本科和高等職業(yè)教育需要突出應(yīng)用性、實踐性、職業(yè)性的原則，為此，打破以學(xué)科系統(tǒng)理論知識為主的課程體系，淡化理論教學(xué)，強化實踐教學(xué)。理論實踐課時比例由5∶1調(diào)整為1∶1，以實現(xiàn)理實一體化、項目教學(xué)法的根本轉(zhuǎn)變。為此，需要大力精簡、整合理論知識，遷移深化實踐教學(xué)，采用“全方位式”實踐教學(xué)。“全方位式”實踐教學(xué)既要繼承傳統(tǒng)的實驗平臺，又需要引入更為實用的企業(yè)工程案例，跨越校內(nèi)外實訓(xùn)平臺和師資力量。

理論教學(xué)中將基本概念、基本分析方法、基本結(jié)論作為理論支撐，不僅需要保留，還需要進一步強化；而對于拉氏變換運算定理、典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)、框圖的等效變換、曲線作圖、無源校正網(wǎng)絡(luò)等內(nèi)容實行刪減。

在系統(tǒng)的理論分析和校正基礎(chǔ)上，強化實踐教學(xué)，通過驗證性基礎(chǔ)實驗，滿足教學(xué)基本要求；通過設(shè)計性和綜合性實驗，提升創(chuàng)新意識；通過工程性應(yīng)用，提升學(xué)生核心職業(yè)技能。為此，實踐教學(xué)主要圍繞兩個方面：其一，基于MATLAB仿真軟件平臺實現(xiàn)數(shù)學(xué)模型的相互轉(zhuǎn)換、時域分析響應(yīng)求解、頻域分析曲線繪制、系統(tǒng)校正性能分析，借助軟件工具簡化理論推導(dǎo)計算，從而降低學(xué)習(xí)難度。其二，引入具有代表性的自動控制系統(tǒng)工程案例，基于控制理論核心分別實現(xiàn)數(shù)學(xué)建模、時域分析、頻域分析、系統(tǒng)校正性能分析，真正實現(xiàn)理論與實踐的有機結(jié)合，深刻體會理論的指導(dǎo)意義。

四、引入工程案例

自動控制理論對學(xué)生的定性分析能力、定量估算能力、綜合運用能力具有較高的要求，尤其結(jié)合專業(yè)技能的要求，需要培養(yǎng)分析問題、解決問題、綜合應(yīng)用理論指導(dǎo)工程實際的應(yīng)用能力。為此，通過引入工程案例和企業(yè)兼職教師，提升實踐應(yīng)用能力，是整合課程內(nèi)容的重點和特色；結(jié)合實驗室條件和實際應(yīng)用典型性，引入簡單的單閉環(huán)水箱液位恒定控制和較復(fù)雜的多閉環(huán)直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)兩個案例。

（一）水箱液位恒定控制

1.系統(tǒng)概況。單容水箱液位PID控制系統(tǒng)主要由水箱、手閥、傳感變送器、直流泵及PWM驅(qū)動器、PID調(diào)節(jié)器等設(shè)備組成。選用典型單回路控制系統(tǒng)，符合學(xué)生的特點和教學(xué)要求，涉及自動控制系統(tǒng)的有關(guān)概念、基本組成環(huán)節(jié)、系統(tǒng)的工作原理分析，實現(xiàn)理論與實踐的接軌。

2.系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和MATLAB仿真分析。水箱數(shù)學(xué)模型屬于滯后的慣性環(huán)節(jié)：，由于t<

自動控制系統(tǒng)應(yīng)滿足“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”三個基本要求，以水箱的數(shù)學(xué)模型作為系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，引入常用的PID控制規(guī)律，構(gòu)成單回路水箱液位恒定PID控制方案。系統(tǒng)的理論分析方法及主要內(nèi)容為：時域分析法的階躍響應(yīng)輸出以揭示動態(tài)性能指標(biāo)、頻域分析法的奈奎斯特曲線和伯德圖揭示系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

由于MATLAB軟件具有功能強大、高效實用特點，適用于對系統(tǒng)控制方案進行理論仿真分析。利用MATLAB軟件完成復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算及圖形的繪制，結(jié)合自動控制系統(tǒng)的時域分析法和頻域分析法的內(nèi)涵、規(guī)律、結(jié)論及特性，分析系統(tǒng)不能滿足快速性和準(zhǔn)確性要求，為此，需要對系統(tǒng)進行校正設(shè)計，引入PI調(diào)節(jié)器。通過對單容水箱液位控制的仿真分析，以及PI參數(shù)調(diào)整前后性能的對比，使學(xué)生充分領(lǐng)會到理論分析對實際應(yīng)用的指導(dǎo)意義，提升讀圖、觀察響應(yīng)曲線的基本技能。

3.系統(tǒng)PID控制運行。利用MATLAB軟件對水箱液位控制進行了形象而直觀的分析，充分體現(xiàn)了自動控制理論的數(shù)學(xué)建模、性能分析、校正控制方案三位一體高度融合；但對學(xué)生而言，依然處于空洞的想象之中。為此，應(yīng)將自控原理與自控系統(tǒng)有機結(jié)合起來，即基于水箱液位PID控制系統(tǒng)A1000+智能儀表構(gòu)筑測控平臺，通過學(xué)生的調(diào)試、運行、觀察、記錄，使他們切身體會理論和實踐互動的魅力，有助于理解和應(yīng)用理論知識。

（二）直流電機調(diào)速控制

直流電機調(diào)速系統(tǒng)采用速度和電流雙閉環(huán)控制方案，水箱液位控制屬于單回路控制，通過引入更為復(fù)雜、實用的直流電機調(diào)速系統(tǒng)，進一步提升工程素質(zhì)，為工程實踐能力可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。下面基于數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)進行說明。

1.系統(tǒng)概況。系統(tǒng)功能框圖主要包括：輸入、速度環(huán)、電流環(huán)、觸發(fā)邏輯及晶閘管主電路，除晶閘管主電路及觸發(fā)驅(qū)動電路外，其他部分均由軟件實現(xiàn)。輸入部分由直接給定輸入端進入系統(tǒng)，由軟件進行數(shù)據(jù)處理。電流環(huán)由電流限幅和電流調(diào)節(jié)器組成，電流限幅對系統(tǒng)實現(xiàn)過電流保護，調(diào)節(jié)器實現(xiàn)PID控制。速度環(huán)主要實現(xiàn)PID控制，還可選擇電樞電壓、測速發(fā)電機、光電編碼式負(fù)反饋模式，以及自適應(yīng)功能，使調(diào)速系統(tǒng)的控制性能更加完美。數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)的硬件包括模擬量輸入（反饋輸入）、模擬量輸出、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、通信接口電路、CPU及存儲器、控制及保護電路、主電路及勵磁電路、控制電源。

2.系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和MATLAB仿真分析。直流電動機的數(shù)學(xué)模型為，晶閘管整流電路、負(fù)反饋單元為比例環(huán)節(jié)，速度環(huán)、電流環(huán)為PID控制規(guī)律。利用MATLAB軟件對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)性能仿真分析，完善和深化自動控制理論分析方法及特性應(yīng)用。

3.系統(tǒng)調(diào)試運行。深入企業(yè)一線工藝場景，由企業(yè)兼職教師為主導(dǎo)，指導(dǎo)學(xué)生完成雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試、運行工作。系統(tǒng)調(diào)試基本過程及內(nèi)容為：控制回路各單元和部件的檢查和測試，主電路、繼電保護電路的檢查和電流開環(huán)的整定，開環(huán)調(diào)試及速度環(huán)的整定，系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)試。在系統(tǒng)穩(wěn)定運行并達到所需穩(wěn)態(tài)精度后，對系統(tǒng)的動態(tài)性能進行測定和調(diào)整，觀察并記錄主要變量，并從中分析調(diào)節(jié)器參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，找出改善系統(tǒng)動態(tài)性能的調(diào)整趨勢，使系統(tǒng)動、靜態(tài)性能達到要求。同時分享企業(yè)工程師的實踐經(jīng)驗，提升學(xué)生工程意識和工程應(yīng)用能力。

總之，通過整合教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)理論與實踐有機結(jié)合、分析問題與解決問題相結(jié)合，貫徹“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的現(xiàn)代教育思想。尤其實現(xiàn)了理論分析計算、MATLAB仿真、工程案例“三位一體”，不僅提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)，強化理論與實踐互通意識及提升工程素質(zhì)，也增強了學(xué)習(xí)的興趣，為提升自動控制理論課程教學(xué)效果奠定了良好的基礎(chǔ)。

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【基金項目】廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院“自動控制原理課程教學(xué)內(nèi)容和方法改革探討”成果（2016YKZ009）。

【作者簡介】蔣興加（1969— ），男，湖南道縣人，廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院教授，研究方向：自動控制。

（責(zé)編 丁 夢）