《自動(dòng)控制原理》非標(biāo)準(zhǔn)答案考試方式與方法改革探索

□吳小娟 郝家琪

一、引言

《自動(dòng)控制原理》是高校自動(dòng)化類、電氣信息類、機(jī)械類等專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)理論課程。它是高年級(jí)《計(jì)算機(jī)控制理論》《電機(jī)拖動(dòng)理論》《過程控制理論》等后續(xù)課程的重要基礎(chǔ)，也是研究生《線性系統(tǒng)理論》《非線性系統(tǒng)理論》《自適應(yīng)控制》等課程的基礎(chǔ)。在工業(yè)控制與優(yōu)化設(shè)計(jì)中也需要《自動(dòng)控制原理》的相關(guān)原理作為重要的理論依據(jù)。

以往《自動(dòng)控制原理》的期末考試方式一般是出題教師依據(jù)教學(xué)大綱進(jìn)行命題，并給出每一題的詳細(xì)答案和每步解題步驟的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生考試完后，任課教師根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)答案進(jìn)行批改試卷，并給出學(xué)生課程的期末考試成績(jī)。對(duì)于這樣的標(biāo)準(zhǔn)答案考試，學(xué)生的學(xué)習(xí)方式就固化成了背背公式，做做習(xí)題，對(duì)問題只知其然卻不知其所以然，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得不到提升，創(chuàng)新思維被束縛，自然也就無法在考試中考核學(xué)生的創(chuàng)新能力。

教學(xué)的真正目標(biāo)應(yīng)該是培養(yǎng)學(xué)生具有獨(dú)立思考、善于想象和創(chuàng)新的能力。為了改善標(biāo)準(zhǔn)答案考試的不足，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力，《自動(dòng)控制原理》課程非標(biāo)準(zhǔn)答案考試的探索是很必要的。非標(biāo)準(zhǔn)答案考試不是不考試，而是沒有標(biāo)準(zhǔn)答案的考試。采用非標(biāo)準(zhǔn)答案考試使學(xué)生把更多的精力放在平時(shí)的課堂上，而不是應(yīng)試上面，這樣才算是回歸教育的初衷，即讓學(xué)生真正地掌握并理解學(xué)科知識(shí)，破除“高分低能”的積弊。

針對(duì)自動(dòng)控制原理，本文設(shè)計(jì)了如下一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)答案考試題目及評(píng)價(jià)方式。設(shè)計(jì)題目為“燃料電池控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)方式包括三部分，一是燃料電池控制系統(tǒng)調(diào)研報(bào)告；二是燃料電池控制方案設(shè)計(jì)；三是基于仿真平臺(tái)的燃料電池控制系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)。為了考察學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，三部分的占比分別是30%、40%、30%。對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)手段包括但不限于小組展示，小組互評(píng)和教師評(píng)分。此題目的設(shè)計(jì)已經(jīng)從實(shí)踐中證明了能很好地考核學(xué)生的綜合分析能力以及實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

二、對(duì)考試題目設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)要說明

(一)題目背景。燃料電池是一種發(fā)電效率高、環(huán)境污染小、比能量高、噪音低及燃料范圍廣的化學(xué)裝置。它能把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能。燃料電池早期發(fā)展方向集中在軍事、航空航天等專業(yè)應(yīng)用以及千瓦級(jí)以上的分散式發(fā)電和混合發(fā)電。目前由于國(guó)家政策的引導(dǎo)，電動(dòng)車領(lǐng)域逐漸成為燃料電池的主要應(yīng)用方向，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)多種以燃料電池作為動(dòng)力的電動(dòng)車。此外，通過小型化技術(shù)將燃料電池為一般消費(fèi)電子產(chǎn)品提供電力也成為燃料電池的應(yīng)用發(fā)展方向之一。燃料電池需要在適合的溫度和壓力下才能正常工作，同時(shí)輸出用戶預(yù)設(shè)的電壓、功率以及電流。為了保障燃料電池系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，設(shè)計(jì)合適的控制策略是至關(guān)重要的。

(二)題目要求。第一，學(xué)生需查閱資料了解燃料電池的工作原理以及組成，了解被控對(duì)象燃料電池的輸入量和輸出量以及燃料電池控制系統(tǒng)的常用控制方式。第二，學(xué)生需要運(yùn)用自控知識(shí)設(shè)計(jì)控制器、并分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，穩(wěn)態(tài)誤差及動(dòng)態(tài)指標(biāo)。第三，在MATLAB仿真平臺(tái)上進(jìn)行仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的控制方案。

三、學(xué)生優(yōu)秀答案

(一)調(diào)研報(bào)告——固體氧化物燃料電池(SOFC)控制系統(tǒng)調(diào)研報(bào)告。固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種高效的、環(huán)境友好的發(fā)電裝置，它工作在中高溫，能直接將存儲(chǔ)燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。不管是采用比較簡(jiǎn)單的PID控制器還是比較復(fù)雜的模型預(yù)測(cè)控制或滑?？刂?，其控制目標(biāo)都主要集中在系統(tǒng)的功率、溫度、燃料利用率以及空氣過氧比等方面，為了保證SOFC系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行，大量的PID控制器、自適應(yīng)控制器、模型預(yù)測(cè)控制器等應(yīng)用到SOFC領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)燃料利用率、空氣過氧比、溫度、功率等控制。

(二)控制方案。采用PID控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池溫度的控制，實(shí)現(xiàn)通過對(duì)入口燃料流量的控制使得SOFC的出口氣體溫度穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值。控制框圖如圖1、圖2、圖3。

圖1 SOFC溫度控制方案框圖

圖2 SIMULINK 仿真圖形

圖3 SOFC溫度控制仿真結(jié)果

(三)學(xué)生MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)及仿真結(jié)果。由控制結(jié)果可知，系統(tǒng)響應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間比較長(zhǎng)，超調(diào)量很小，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為0.04。

四、結(jié)語

在自動(dòng)控制原理課程非標(biāo)準(zhǔn)答案考試方法和方式改革中,題目“燃料電池控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”在實(shí)踐中證明了能夠很好地考核學(xué)生在自控原理穩(wěn)定性判斷、控制系統(tǒng)性能指標(biāo)計(jì)算以及系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差計(jì)算等方面的計(jì)算，學(xué)生加深了對(duì)控制器和負(fù)反饋等概念的理解，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生的問題分析能力、編程能力、實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力等綜合能力的考核。