《自動控制原理與系統(tǒng)》技能培養(yǎng)體系研究

孫素軍，杜秀芝

（滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 滁州 239000）

引言

隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，自動控制原理已廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防、交通運(yùn)輸和宇航等領(lǐng)域，并成為當(dāng)今倍受重視的高新技術(shù)之一。掌握和了解自動控制的基本理論和方法，對從事電氣自動化專業(yè)的技術(shù)人員是很有必要的。

該課程的開設(shè)重在使學(xué)生掌握與自動控制原理相關(guān)的專業(yè)知識和綜合應(yīng)用，從而培養(yǎng)在自動控制系統(tǒng)調(diào)試與維護(hù)方面解決實(shí)際問題的能力，更好地完成“地方性技能型高水平大學(xué)”建設(shè)工作。

一、現(xiàn)狀分析

《自動控制原理與系統(tǒng)》是高職院校電氣自動化專業(yè)的一門重要課程，課程的特點(diǎn)是知識面廣、內(nèi)容多、理論性強(qiáng)、概念相對比較抽象、專業(yè)性特征明顯，它涉及較多的電路分析和高等數(shù)學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)知識，難以將理論上所描述的系統(tǒng)與各種實(shí)際的自動控制系統(tǒng)聯(lián)系在一起，而且大部分的高職學(xué)生數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱，出現(xiàn)了教師難教，學(xué)生難學(xué)的現(xiàn)象，教學(xué)效果不夠理想。除了與課程本身的課程體系有關(guān)，也與學(xué)生本身的負(fù)面情緒及教師自身的教學(xué)方式有關(guān)，因此，課程的教學(xué)改革勢在必行。

二、培養(yǎng)體系研究

針對《自動控制原理與系統(tǒng)》教學(xué)中存在的問題，結(jié)合滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院以技能培養(yǎng)為重點(diǎn)的培養(yǎng)體系，分別從課程內(nèi)容、進(jìn)度安排、教學(xué)方法改革及考核方式等方面進(jìn)行研究。

（一）課程內(nèi)容

本課程的先修理論課程為《高等數(shù)學(xué)》、《電路理論基礎(chǔ)》、《電機(jī)與電氣控制》等，課程理論性很強(qiáng)，基礎(chǔ)知識要扎實(shí)，才能在學(xué)習(xí)過程中理解所學(xué)內(nèi)容，深入研究，提高實(shí)際應(yīng)用的能力。

根據(jù)學(xué)?，F(xiàn)有的教學(xué)設(shè)施，設(shè)計相關(guān)的課程內(nèi)容時，盡量選用學(xué)生較為熟悉的控制系統(tǒng)，并強(qiáng)化仿真軟件的使用能力，所以選用王超主編的《自動控制原理與系統(tǒng)》作為教材，王艷紅主編的《自動控制原理》作為參考教材，主要包括以下幾個方面內(nèi)容：

1、自動控制系統(tǒng)概述：明確自動控制的基本概念、基本原理及分類；掌握對自動控制性能的基本要求。

2、拉普拉斯變換及應(yīng)用：掌握拉氏變換的概念和運(yùn)算定理；拉氏反變換的方法及在解微分方程時的應(yīng)用。

3、自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：明確控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的概念及作用；了解控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的種類；掌握實(shí)際控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立方法。

4、控制系統(tǒng)的性能分析：明確控制系統(tǒng)的時域性能指標(biāo)；掌握時域分析系統(tǒng)性能的方法和步驟；了解頻率特性的概念及典型環(huán)節(jié)頻率特性的特點(diǎn)，明確時域性能指標(biāo)和頻性能指標(biāo)的關(guān)系，

5、控制系統(tǒng)的校正：明確校正的概念和作用；掌握基本校正方式及常用校正裝置的特性。

其中，前面兩部分以理論內(nèi)容為主，在學(xué)習(xí)的過程中可以通過實(shí)際的控制系統(tǒng)（如爐溫控制系統(tǒng)）來介紹相關(guān)知識，使學(xué)生更容易接受。后三章在上理論課的同時，借助多媒體設(shè)備及計算機(jī)房進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇罱ā⒄{(diào)試和分析，使學(xué)生深入了解控制系統(tǒng)設(shè)計思路、調(diào)試過程和性能分析，從而提高他們的實(shí)踐能力。

主要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：

1、搭建速度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（如圖1）：了解速度控制系統(tǒng)的工作原理，分析各部件的微分方程，使學(xué)生具備實(shí)際控制系統(tǒng)微分方程和傳遞函數(shù)兩種數(shù)學(xué)模型的建立能力。

2、某電壓測量系統(tǒng)（如圖2）的時域分析：了解電壓測量系統(tǒng)的原理，搭建數(shù)學(xué)模型，并分析系統(tǒng)的時域性能，使學(xué)生具備采用時域分析法對實(shí)際系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析的綜合能力。

3、某電壓測量系統(tǒng)的頻域分析：搭建其數(shù)學(xué)模型，并對其進(jìn)行頻域分析，使學(xué)生具備采用頻域分析法對實(shí)際系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析的綜合能力。

4、某單位負(fù)反饋系統(tǒng)的校正：了解各種校正方式的特點(diǎn)，使學(xué)生能根據(jù)所學(xué)的系統(tǒng)校正設(shè)計方法，選擇合適的校正裝置，并校驗(yàn)校正后的系統(tǒng)性能是否滿足要求。

5、綜合性實(shí)驗(yàn)-過山車車速的控制的系統(tǒng)設(shè)計：使學(xué)生能將所學(xué)知識用于實(shí)際控制系統(tǒng)中。

圖1 直流電機(jī)速度控制系統(tǒng)

圖2 電壓測量系統(tǒng)

綜上，本課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)定的目標(biāo)主要有：一是使學(xué)生掌握控制系統(tǒng)的工作原理及模型的搭建方法；二是使學(xué)生了解系統(tǒng)的時域性能指標(biāo)和頻域分析的方法，根據(jù)搭建的數(shù)學(xué)模型來分析系統(tǒng)性能的好壞；三是若系統(tǒng)的性能指標(biāo)不能滿足要求，會選用合適的校正裝置進(jìn)行校正。

（二）進(jìn)度安排

滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣自動化專業(yè)2016級的培養(yǎng)計劃中，課時安排為54課時，理論課30學(xué)時，實(shí)驗(yàn)課24學(xué)時，課程進(jìn)度根據(jù)學(xué)生對所學(xué)知識的掌握程度，由淺入深，逐漸深入。進(jìn)度安排如下圖：

圖3 課程進(jìn)度

第一部分完成對自動控制基本概念方面的了解，為后面更深入的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)；第二部分是自動控制原理學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，為時域、復(fù)域和頻域之間的轉(zhuǎn)換做鋪墊；第三部分時域、復(fù)域各種數(shù)學(xué)模型的搭建，第四部分在模型搭建的基礎(chǔ)上分析控制系統(tǒng)的系能，難度增強(qiáng)，可提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力；第五部分通過對實(shí)際控制系統(tǒng)的校正，進(jìn)一步提高解決實(shí)際問題的能力。

（三）教學(xué)方法改革

本課程的理論性很強(qiáng)，為突出課程的實(shí)踐性和職業(yè)性，本課程倡導(dǎo)教學(xué)方法的多樣化。力圖通過教師、學(xué)生和企業(yè)兼職教師密切配合，綜合運(yùn)用各種方法共同完成學(xué)習(xí)目標(biāo)與任務(wù)。本課程主要采用理論與虛擬實(shí)驗(yàn)一體的方法，輔助采用案例教學(xué)、企業(yè)參觀等方法。

1、虛擬實(shí)驗(yàn)

在教學(xué)過程中以學(xué)生為主體，教師扮“引路人”的角色，通過引導(dǎo)、小組討論和總結(jié)，鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力。根據(jù)不同企業(yè)生產(chǎn)需要，選定一些自動控制系統(tǒng)作為學(xué)習(xí)項目，讓學(xué)生獨(dú)立完成自動控制系統(tǒng)分析的整個過程，并用MATLAB軟件搭建模型，來分析各個參數(shù)對其性能的影響。培養(yǎng)學(xué)生對自動生產(chǎn)線操作工應(yīng)有的技能。在課程（工作過程）的每個階段，制定具體任務(wù)，使學(xué)生根據(jù)指定的要求設(shè)計不同的方案，并挑選出最佳方案實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化。

2、案例教學(xué)

在課堂引入大量的案例進(jìn)行教學(xué)，使學(xué)生對自動控制原理在自動控制系統(tǒng)中的作用有充分的了解。

3、企業(yè)參觀

可帶領(lǐng)自動化專業(yè)學(xué)生到滁州附近相關(guān)企業(yè)參觀，了解自動生產(chǎn)線流程、應(yīng)用環(huán)境、企業(yè)文化，拓展學(xué)生知識面。

4、多樣化的教學(xué)手段

在教學(xué)中加入實(shí)物認(rèn)知環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)的仿真模擬及信息化教學(xué)手段，使學(xué)生學(xué)習(xí)場所可以延伸到宿舍、公園和圖書館等。課程教學(xué)也可通過網(wǎng)絡(luò)平臺來實(shí)現(xiàn)，教師和學(xué)生可隨時溝通、探討，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（四）評價體系

有效的教學(xué)質(zhì)量評價體系是教學(xué)體系的重要組成部分，以能力培養(yǎng)目標(biāo)為評價指標(biāo)的核心，對學(xué)生教學(xué)質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確合理的綜合評價。在課程的成績評價中，設(shè)置30%的比例作為平時考核，由出勤、作業(yè)、課上互動、課下答疑綜合構(gòu)成，評價學(xué)生的創(chuàng)新精神、科學(xué)精神、科學(xué)表達(dá)能力等。期末考核占30%，除了基本概念、基本理論的考試內(nèi)容外，適當(dāng)設(shè)置一些能夠考核學(xué)生分析能力、綜合運(yùn)用能力的題目。實(shí)驗(yàn)教學(xué)單獨(dú)設(shè)置學(xué)分，綜合培養(yǎng)學(xué)生的動手、創(chuàng)新能力，將實(shí)驗(yàn)考核的比重設(shè)置為40%。

表1 成績比例分配表

這種評價體系使學(xué)生擺脫死記硬背、做大量計算的習(xí)慣，注重激發(fā)學(xué)生的好奇心，提高學(xué)生的專注力，從而培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)踐問題的能力。

三、結(jié)論

自動控制原理與系統(tǒng)技能培養(yǎng)體系研究，是在傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的問題的基礎(chǔ)上，進(jìn)行教學(xué)改革，以彌補(bǔ)原來的不足之處，并對新培養(yǎng)體系中的課程內(nèi)容、進(jìn)度安排、教學(xué)方法改革和評價體系作出規(guī)劃，具體內(nèi)容在實(shí)施過程中還需不斷修改和完善，更好地完成“地方性技能型高水平大學(xué)”的建設(shè)。