基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的自動控制原理教學(xué)改革研究

張可兒,韓娜妮,趙 莉

（隴東學(xué)院電氣工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000）

我國在2016 年加入《華盛頓協(xié)議》組織后，提出了以學(xué)生為中心、產(chǎn)出導(dǎo)向（OBE）和持續(xù)改進(jìn)（CQI）三大教育理念，其核心是涵蓋應(yīng)用知識、公民責(zé)任和綜合能力三大方面的12 條畢業(yè)要求，其中，重點(diǎn)要求畢業(yè)生具有表達(dá)、分析、理解、研究和評價(jià)復(fù)雜控制系統(tǒng)的能力[1]。

根據(jù)工程教育專業(yè)認(rèn)證的要求，我校新制訂的自動化人才培養(yǎng)方案注重學(xué)生素質(zhì)的培養(yǎng)，使學(xué)生具有基礎(chǔ)扎實(shí)、專業(yè)性強(qiáng)的特點(diǎn)，具有分析問題、解決問題的能力和創(chuàng)新意識，同時(shí)注重提高人文科學(xué)、法律法規(guī)、職業(yè)道德素質(zhì)等修養(yǎng)，使學(xué)生能夠成為自動化相關(guān)領(lǐng)域的高素質(zhì)專門人才，并具備解決自動控制復(fù)雜工程問題的能力。

《自動控制原理》是自動化專業(yè)核心課程，是一門理論性較強(qiáng)的工程科學(xué)。通過該門課程學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握自動控制的基本原理，熟練掌握各種理論分析方法；同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)，將理論與實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合起來，培養(yǎng)學(xué)生一定的實(shí)際動手能力及解決自動控制復(fù)雜工程問題的能力。

目前，關(guān)于自動控制原理課程教學(xué)改革研究有了較多的研究成果。邢燦華[2]重點(diǎn)研究了提高自動化專業(yè)核心課程《自動控制原理》課程目標(biāo)達(dá)成度及課程達(dá)成度的方法。在文獻(xiàn)[3]中，張萍研究了MATLAB 軟件在分析線性系統(tǒng)穩(wěn)定性中的應(yīng)用，論證了引入MATLAB 仿真軟件的必要性和可靠性。王妍[4]等結(jié)合工程教育認(rèn)證的背景，分析《自動控制原理》課程的特點(diǎn)和存在的問題，通過調(diào)整教學(xué)大綱和實(shí)驗(yàn)課程，建立新的考核模式，提高學(xué)生辯證思維能力、解決問題能力和科學(xué)研究能力。武曉晶[5]等利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，多方位的研究了《自動控制原理》課程的教學(xué)改革。

本文面向工程教育專業(yè)認(rèn)證，針對目前教學(xué)中存在的問題，研究了Matlab 軟件在自動控制原理課程中在培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際工程問題能力方面的應(yīng)用。充分利用Matlab 軟件，不僅能夠幫助學(xué)生學(xué)習(xí)、理解理論知識，同時(shí)克服實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)時(shí)間和空間的限制，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率，鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考、解決控制問題的能力。

1 傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題

自動控制原理具有理論性強(qiáng)、概念抽象、知識系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，對學(xué)生的數(shù)學(xué)能力要求較高。在傳統(tǒng)的理論教學(xué)中，教學(xué)過程枯燥，學(xué)生學(xué)習(xí)的難度較大，興趣較低，學(xué)習(xí)效果不理想。并且現(xiàn)有教材和實(shí)際工程實(shí)例結(jié)合的較少，難以突出自動控制原理在實(shí)際工程問題中的應(yīng)用。

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備和課時(shí)的限制，大部分的實(shí)驗(yàn)只是對理論知識的簡單驗(yàn)證，難以進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)等復(fù)雜性的實(shí)驗(yàn)。

Matlab 軟件由于其強(qiáng)大的功能廣泛應(yīng)用于自動控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、信號分析、航天工業(yè)及語音處理等行業(yè)。在自動控制原理課程中引入Matlab 軟件具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，在線下理論學(xué)習(xí)中，學(xué)生可以利用Matlab 進(jìn)行理論驗(yàn)證學(xué)習(xí)，提高自主學(xué)習(xí)的能力；其次，通過軟件仿真學(xué)習(xí)，學(xué)生學(xué)習(xí)理論知識和實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)可以不受時(shí)間和空間的限制；最后，在實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限的情況下，通過軟件進(jìn)行理論驗(yàn)證、系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)，最大限度的培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜控制系統(tǒng)問題的能力。

2 Matlab 在自動控制原理教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 基于Matlab的教學(xué)改革

自動控制原理課程課堂教學(xué)主要是系統(tǒng)的分析。在講授系統(tǒng)分析中，重點(diǎn)放在分析方法和原理的理解上，對于根軌跡、Nyquist 及Bode 的復(fù)雜圖像的繪制可以借助Matlab 進(jìn)行完成。同時(shí)，Matlab 也可以完成實(shí)際復(fù)雜工程問題的仿真分析。Matlab 軟件在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用更加突出，可以突破實(shí)驗(yàn)時(shí)間和設(shè)備的限制，除了完成簡單理論的驗(yàn)證問題外，也可以針對復(fù)雜實(shí)際工程問題進(jìn)行仿真驗(yàn)證，以提高學(xué)生實(shí)際動手的能力。

2.2 實(shí)例舉證

這部分以自動控制系統(tǒng)校正實(shí)例說明Matlab仿真軟件在本課程理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。例：單位負(fù)反饋系統(tǒng)的前向通道傳遞函數(shù)為，設(shè)計(jì)校正環(huán)節(jié)使系統(tǒng)的相角裕度大于45°，截止頻率大于50rad/s。

本例題涵蓋了系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)動態(tài)性能計(jì)算、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等知識點(diǎn)。在學(xué)習(xí)中，學(xué)生需要利用相應(yīng)的理論知識對系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，之后利用Matlab 軟件可以對理論分析和設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，如圖1 所示。

圖1 校正前系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線

根據(jù)以上分析出，原系統(tǒng)穩(wěn)定，但其動態(tài)性能不符合要求，需要通過加入校正環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)校正。

（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為使系統(tǒng)符合性能指標(biāo)要求，進(jìn)行超前校正，如圖2 所示。

圖2 校正后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)

根據(jù)上述驗(yàn)證結(jié)果，可以得出，通過加入超前校正網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的動態(tài)性能達(dá)到要求。

3 結(jié)束語

將Matlab 引入到自動控制理論教學(xué)中，不僅可以提高課堂教學(xué)質(zhì)量，還打破實(shí)驗(yàn)課和理論課分開講授的界限，最大限度的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，以培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題和自主創(chuàng)新的能力。