自動控制理論課程改革探討

敖章洪 齊庭庭

（湖南文理學(xué)院計算機(jī)與電氣工程學(xué)院，常德 415000）

自動控制理論課程是自動化專業(yè)重要的專業(yè)課，也是電類各學(xué)科、多數(shù)非電類工程專業(yè)重要課程之一[1-2]，該課程的主要特點(diǎn)是理論與實(shí)踐并重[3-4]。由于本課程的實(shí)際特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)教學(xué)方法時，學(xué)生往往出現(xiàn)抓不住重點(diǎn)、興趣不高、課堂參與度低等問題，教學(xué)過程實(shí)施完畢后，學(xué)生又往往難以靈活地將理論用于實(shí)踐，解決具體工程問題的能力較弱[5-6]。為適應(yīng)我校人才培養(yǎng)向應(yīng)用型轉(zhuǎn)型的要求，提高教學(xué)效果，本課程近年來積極進(jìn)行教學(xué)改革，充分吸收啟發(fā)式教學(xué)、案例式教學(xué)、PBL 教學(xué)（問題驅(qū)動教學(xué)）等的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)。

一、課程與其他課程的關(guān)系[7-8]

自動控制理論理論分析較多，課程中傳遞函數(shù)分析、穩(wěn)定性分析、根軌跡分析、頻域分析、校正設(shè)計、狀態(tài)空間分析、可控性與可觀性分析、狀態(tài)反饋設(shè)計等內(nèi)容具有較強(qiáng)的理論復(fù)雜性，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程之前就較好地掌握數(shù)學(xué)、物理方面課程的內(nèi)容，同時本課程的教學(xué)還要求學(xué)生具有一定的專業(yè)知識基礎(chǔ)和實(shí)踐基礎(chǔ)；另外，教學(xué)內(nèi)容也面向工程一線，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，教學(xué)內(nèi)容都著眼于解決具體的工程問題、培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，要求學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，能理論聯(lián)系實(shí)際地思考問題，最終在自動控制方面做到“能分析、會設(shè)計”。自動控制理論與其他課程的關(guān)系如圖1 所示。

二、課程的總體設(shè)計[9-10]

根據(jù)課程特點(diǎn)，將教學(xué)內(nèi)容分成三大模塊組織教學(xué)，分別是經(jīng)典現(xiàn)代通用教學(xué)模塊、經(jīng)典控制教學(xué)模塊和現(xiàn)代控制教學(xué)模塊，具體每個教學(xué)模塊涵蓋的內(nèi)容及教學(xué)流程設(shè)計見圖2 所示。本課程選用胡壽松主編、科技出版社出版的《自動控制原理》（第六版）作為教材，這也是行業(yè)內(nèi)使用最廣泛的教材。實(shí)際教學(xué)時，為適應(yīng)學(xué)校人才培養(yǎng)向應(yīng)用型轉(zhuǎn)型的要求，結(jié)合學(xué)生實(shí)際，教學(xué)內(nèi)容基于該教材而不限于該教材，上課時較多地選用工程實(shí)例進(jìn)行教學(xué)，并對行業(yè)內(nèi)使用較多的MATLAB 軟件進(jìn)行功能介紹和操作講解，真正做到教學(xué)與實(shí)踐對接。教學(xué)課件中較多地采用圖片、視頻等多媒體手段，提高學(xué)生的感性認(rèn)識，并根據(jù)國內(nèi)外自動控制系統(tǒng)的最新發(fā)展趨勢和最新研究成果，及時更新教學(xué)內(nèi)容，做到與時俱進(jìn)。

三、主要教學(xué)方法

1.案例式教學(xué)

根據(jù)本課程特點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)際，在教學(xué)上可采用工程案例或生活案例進(jìn)行教學(xué)，便于學(xué)生理解相關(guān)內(nèi)容。

（1）工程案例

在自動控制系統(tǒng)中，研究的一般是反饋控制系統(tǒng)，這就要求說清楚反饋的相關(guān)概念，特別是需要學(xué)生能區(qū)別正反饋與負(fù)反饋。這里可采用較常見的液位控制系統(tǒng)為例進(jìn)行講解正反饋和負(fù)反饋概念，如圖3 所示。

從圖3（a）可以看出，當(dāng)液位受到某種擾動導(dǎo)致液位下降時，杠桿左邊下降，杠杠右邊上升，從而使得進(jìn)水閥關(guān)小，導(dǎo)致進(jìn)水減少，液位進(jìn)一步下降，進(jìn)水閥關(guān)的更小，進(jìn)水也進(jìn)一步減少，這樣循環(huán)下來，進(jìn)水閥很快會關(guān)閉，隨著出水閥處水的持續(xù)流出，液位會下降到零。這表明受到干擾后液位無法保持恒定，反饋加快了這種變化趨勢，屬于正反饋。從圖3（b）可以看出，當(dāng)液位受到某種擾動導(dǎo)致液位下降時，杠桿右邊下降，杠杠左邊上升，從而使得進(jìn)水閥開度變大，導(dǎo)致進(jìn)水增加，液位上升，這表明受到干擾后液位通過反饋減小了這種變化趨勢，屬于負(fù)反饋。

圖1 自動控制理論與其他課程的關(guān)系

圖2 自動控制理論課程總體設(shè)計

圖3 液位控制系統(tǒng)

除了概念外，本課程很多內(nèi)容采用工程案例進(jìn)行教學(xué)，這里以機(jī)器人關(guān)節(jié)指向控制系統(tǒng)為例進(jìn)行說明，其控制框圖如圖4 所示。

由于負(fù)載改變及機(jī)械臂伸展位置的變化，負(fù)載對機(jī)器人會產(chǎn)生不同的影響。當(dāng)機(jī)械手抓持負(fù)載后，就可能使機(jī)器人產(chǎn)生偏差。教師可由此展開相應(yīng)教學(xué)，如負(fù)載對系統(tǒng)的影響有多大、減少這種影響的方法有哪些、穩(wěn)態(tài)誤差多大、減少穩(wěn)態(tài)誤差的方法等。這樣將工程實(shí)例引入課堂，讓學(xué)生知道學(xué)習(xí)的知識用在了什么地方，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。

圖4 機(jī)器人關(guān)節(jié)指向控制系統(tǒng)

（2）生活案例

在我們生活中有許多與自動控制理論相關(guān)的案例。如在講慣性環(huán)節(jié)時，系統(tǒng)輸出與輸入之間存在一定時間的滯后，這可用生活中常見的水銀溫度計為例。一般學(xué)生都有用水銀溫度計量體溫的經(jīng)歷，知道必須經(jīng)過幾分鐘后才能較準(zhǔn)確地量出體溫，這就是典型的慣性環(huán)節(jié)。又如講解遲滯環(huán)節(jié)時，可這樣舉例：自己需要親自洗車，于是用水龍頭接了一根較長的水管來放水，打開水龍頭后，水管末端不會立即出水，需要等一會兒才會有水流出來，這就類似于遲滯環(huán)節(jié)。通過不同的生活案例，不僅讓學(xué)生掌握了相關(guān)知識，還認(rèn)識到相關(guān)知識在生活中的應(yīng)用，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.專業(yè)軟件輔助教學(xué)

本課程可通過專業(yè)軟件進(jìn)行理論課和實(shí)驗(yàn)課的輔助教學(xué)，筆者使用的是MATLAB 軟件，通過該軟件，便于學(xué)生理解相關(guān)知識點(diǎn)，能檢驗(yàn)學(xué)生的知識掌握程度，找出知識的遺漏點(diǎn)，進(jìn)一步鞏固相關(guān)知識。

（1）理論教學(xué)應(yīng)用

這里以根軌跡分析為例進(jìn)行說明。

這里可先讓學(xué)生自己繪制根軌跡圖，然后用MATLAB 軟件繪制根軌跡。

編寫程序如下：

繪制的根軌跡如圖5 所示，根據(jù)繪制的根軌跡圖，讓學(xué)生與自己繪制的圖形進(jìn)行比較，看哪些地方不一致。然后再根據(jù)MATLAB 繪制的圖形強(qiáng)調(diào)實(shí)軸上根軌跡區(qū)間的判斷方法、漸近線的計算、根軌跡與虛軸的交點(diǎn)等內(nèi)容。通過這種方式學(xué)生能知道自己錯在哪里，哪些知識有所欠缺，這樣知識點(diǎn)的掌握就比較牢固了。

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用

圖5 根軌跡圖

本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生只是需要先接好線，再把相應(yīng)結(jié)果記錄下來就完了，學(xué)生一般知其然不知其所以然，實(shí)驗(yàn)效果不好。通過MATLAB 軟件，對實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容先進(jìn)行建模分析，再去接實(shí)物，這樣效果更好。比如在做“典型環(huán)節(jié)模擬實(shí)驗(yàn)”時，通過MATLAB 對典型的環(huán)節(jié)如積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、一階慣性環(huán)節(jié)、振蕩環(huán)節(jié)等分析系統(tǒng)工作原理，進(jìn)行建模，得到仿真結(jié)果，再用實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行接線，比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果，這樣可讓學(xué)生知道為什么會有這樣的結(jié)果，加深了印象。

3.信息化教學(xué)

本課程相關(guān)資源已掛在網(wǎng)上，包括課件、習(xí)題、測試題、相應(yīng)環(huán)節(jié)的慕課資源、視頻講解等，學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)。與此同時在教學(xué)中通過手機(jī)APP 開展各種教學(xué)活動，如學(xué)生的簽到、作業(yè)布置、回答問題、討論、測驗(yàn)、在線課堂等。通過這些信息化手段，便于學(xué)生加深對知識的理解，提高他們的學(xué)習(xí)積極性，引導(dǎo)他們利用手機(jī)獲取相關(guān)資源，用好手機(jī)。

4.翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)

本課程理論知識多，因此造成學(xué)生理解困難。為解決這個問題，可針對難點(diǎn)布置任務(wù)，然后在課堂上留一定時間出來讓學(xué)生上講臺講，在講解過程中學(xué)生自然就加深了印象。例如，講解勞斯穩(wěn)定判據(jù)分析系統(tǒng)穩(wěn)定性時，要求學(xué)生掌握勞斯表的生成及根據(jù)勞斯表判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性這兩個知識點(diǎn)，這時可提前通知1 組學(xué)生進(jìn)行預(yù)習(xí)，要求每個知識點(diǎn)1 位同學(xué)上臺進(jìn)行講解，組長根據(jù)能力大小給每個組員分配任務(wù)，對知識點(diǎn)內(nèi)容和PPT 的設(shè)計等進(jìn)行組間討論。進(jìn)行正式講解時，組長提交該組每位成員的任務(wù)分配及參與討論的證明資料。講解時，這組的其他同學(xué)可進(jìn)行補(bǔ)充說明。講解完成后由教師根據(jù)講解情況、每個組員的參與程度等計入平時成績加分項。教師最后再對知識點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，通過這種形式，一方面通過平時成績加分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生注意力集中到所講知識點(diǎn)上，便于理解，另一方面鍛煉了學(xué)生的表達(dá)能力，培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)結(jié)合作能力。

四、結(jié)論

本課程教學(xué)的目的不僅是傳授專業(yè)知識、促進(jìn)學(xué)生知識積累和知識結(jié)構(gòu)優(yōu)化，更重要的是讓學(xué)生能主動思考問題、自己獲取知識，并可以將這些知識轉(zhuǎn)變?yōu)榻鉀Q實(shí)際工程 問題的能力。針對本課程“理論與實(shí)踐并重”的特點(diǎn)，講授理論性較強(qiáng)的內(nèi)容時，在基本概念正確、計算前提清晰的條件下，鼓勵學(xué)生進(jìn)行上講臺進(jìn)行公式推導(dǎo)和演算，不僅要讓學(xué)生知道“是什么”，更要知道“為什么”，同時結(jié)合工程案例和軟件計算加深認(rèn)識，知道“怎么用”。對于實(shí)踐性較強(qiáng)的知識，則精心設(shè)計教學(xué)過程，在合適的情境下提出實(shí)際工程問題，進(jìn)行問題驅(qū)動式教學(xué)、信息化教學(xué)和啟發(fā)式教學(xué)，結(jié)合圖片和相關(guān)視頻，引導(dǎo)學(xué)生通過自行思考、相互討論得出答案，提高其分析和解決實(shí)際工程問題的能力。通過一個學(xué)期的教學(xué)，學(xué)生反響較好，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性得到了提高，教學(xué)效果顯著提升。