應(yīng)用型本科自動(dòng)控制原理課程教學(xué)探析

翟玉曉　劉越　楊鴻　張瑞明　王璐凡

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理；教學(xué)方法；課程特點(diǎn)；應(yīng)用型本科；適應(yīng)性

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）36-0121-03

1 引言

自動(dòng)控制原理作為自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，要求學(xué)生要有相應(yīng)的控制思想，熟練掌握分析和校正系統(tǒng)的方法和手段，以便設(shè)計(jì)合適的控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。

因?yàn)樽詣?dòng)控制原理所闡述的方法不是只針對(duì)一個(gè)系統(tǒng)或一類系統(tǒng)，而是只要滿足單輸入單輸出的線性定常系統(tǒng)都可以用自動(dòng)控制原理中所講的方法進(jìn)行分析和校正。所以本門課程所涉及的系統(tǒng)非常之多，無(wú)法簡(jiǎn)單地列舉一兩個(gè)系統(tǒng)來(lái)代替所有系統(tǒng)的特點(diǎn)。正因如此，課程中好多公式定理都是以一般形式給出的，這些公式比較長(zhǎng)，公式推導(dǎo)起來(lái)非常復(fù)雜，涉及高等數(shù)學(xué)和復(fù)變函數(shù)的內(nèi)容較多。再加上學(xué)生數(shù)學(xué)功底不扎實(shí)，所以在學(xué)習(xí)過(guò)程中就感覺本門課程的內(nèi)容比較抽象、晦澀、難懂[1-2]。

除此之外，在日常教學(xué)環(huán)節(jié)中，課堂大多采用灌輸式的教學(xué)手段[3]。教師經(jīng)常直接告訴學(xué)生影響系統(tǒng)性能的因素是什么，如何對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，而忽略了學(xué)生自我探索和驗(yàn)證的過(guò)程[4]。這就出現(xiàn)了學(xué)生因考試而學(xué)，死記硬背，考完便棄的現(xiàn)象。

綜合上述情況，本文對(duì)自動(dòng)控制原理的教學(xué)方法進(jìn)行了探析。在保留原有教學(xué)方法中優(yōu)秀部分的基礎(chǔ)之上，增加了實(shí)例講解和理論實(shí)驗(yàn)結(jié)合部分，用以增強(qiáng)該課程的適應(yīng)性，使其符合應(yīng)用型本科對(duì)于學(xué)生的培養(yǎng)要求。

2 課程特點(diǎn)和教學(xué)現(xiàn)狀

2.1 課程特點(diǎn)

自動(dòng)控制原理主要介紹了時(shí)域法、根軌跡法和頻域法這三種分析和校正系統(tǒng)的方法。在介紹這三種方法時(shí)，會(huì)涉及高等數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)和電路等課程的相關(guān)知識(shí)。這就需要學(xué)生在進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和公式推導(dǎo)時(shí)，要有扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底、良好的知識(shí)遷移能力和較高的綜合應(yīng)用能力。以上三種方法分別在時(shí)域、根軌跡和頻域內(nèi)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行討論，三者既相互獨(dú)立又相互支撐。學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)需要在三個(gè)分析域內(nèi)精準(zhǔn)靈活地轉(zhuǎn)換，特別是復(fù)域向頻域的轉(zhuǎn)換，其難度較大，學(xué)生學(xué)習(xí)起來(lái)感覺比較吃力。

以上這些因素構(gòu)成了自動(dòng)控制原理這門課程的特點(diǎn)。正因?yàn)檫@些特點(diǎn)也導(dǎo)致了本門課程教學(xué)難度大，學(xué)生接受不太理想的情況。

2.2 教學(xué)現(xiàn)狀

2.2.1 講授式教學(xué)

自動(dòng)控制原理這門課程概念抽象，推導(dǎo)公式眾多，課程容量大。因此，在日常教學(xué)中，教師常常運(yùn)用直接講解的方法對(duì)本門課程進(jìn)行教授。這樣做的好處在于，可以緊跟課程進(jìn)度，做到每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的全面覆蓋。但是隨之而來(lái)的卻是學(xué)生對(duì)本門課程學(xué)習(xí)興趣的下降，以及學(xué)生對(duì)相關(guān)的理論知識(shí)缺乏思考、探索和討論[5]。

2.2.2 實(shí)際案例引入較少

自動(dòng)控制原理這門課程最終需要解決的兩個(gè)問(wèn)題：系統(tǒng)的分析和系統(tǒng)的校正。因此，無(wú)論是時(shí)域法，根軌跡法還是頻域法都是圍繞這兩個(gè)問(wèn)題展開的。這些方法的講授大多都是借助數(shù)學(xué)方法進(jìn)行推導(dǎo)。這就給學(xué)生造成了一種錯(cuò)覺，好像自動(dòng)控制原理一直在講數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，跟企業(yè)的生產(chǎn)和設(shè)備的控制好像沒有多大聯(lián)系。學(xué)生僅僅只是學(xué)習(xí)了分析和校正系統(tǒng)的方法而已，但如何應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)之中，卻無(wú)從下手。

造成這一現(xiàn)象的原因是教學(xué)過(guò)程中只是就理論而講理論，沒有結(jié)合具體的案例。學(xué)生不知道所學(xué)的理論知識(shí)如何應(yīng)用于系統(tǒng)，如何改善系統(tǒng)的性能。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)所占比例不大

三種分析和校正系統(tǒng)的方法最終的落腳點(diǎn)在系統(tǒng)穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性上面。其目的主要是系統(tǒng)能夠按照控制要求平穩(wěn)順利地運(yùn)行。

這樣就需要學(xué)生分析并設(shè)計(jì)出符合控制要求的控制器。而控制器的分析和設(shè)計(jì)中，最重要的一步就是仿真驗(yàn)證。自動(dòng)控制原理教學(xué)過(guò)程中，往往是理論多于實(shí)踐。常做的一些實(shí)驗(yàn)也是驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)占比較少。學(xué)生很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法去探索系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的改變對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能的影響。進(jìn)而無(wú)法全面深入地了解自動(dòng)控制原理中所講的一些理論和方法。

3 改革思路探討

3.1 授課形式的多樣化

在授課形式上應(yīng)新舊結(jié)合。既要看到新型授課方式的好處，又要結(jié)合舊授課方式的優(yōu)點(diǎn)，做到合理搭配。針對(duì)自動(dòng)控制原理這門課程的課程特點(diǎn)，建議采用多媒體和板書并重的方式進(jìn)行[1， 6]。

其中多媒體可以非常形象地展示整個(gè)控制過(guò)程。學(xué)生可以直觀地了解每一部分所起的作用。而板書恰好彌補(bǔ)了多媒體播放速度快和簡(jiǎn)略公式推導(dǎo)過(guò)程的不足。在重要的公式講解上，用板書的形式，逐步進(jìn)行推導(dǎo)，可以讓學(xué)生從根本上了解定理和結(jié)論的來(lái)源，同時(shí)也便于學(xué)生進(jìn)一步地研究和拓展。

3.2 案例和理論教學(xué)并行

線性定常系統(tǒng)無(wú)法用某一個(gè)具體的系統(tǒng)來(lái)代替。因?yàn)榫唧w的某個(gè)系統(tǒng)無(wú)法窮盡線性定常系統(tǒng)的所有特征。這就導(dǎo)致整個(gè)自動(dòng)控制原理看起來(lái)主要在講理論方法和公式推導(dǎo)。

但是單純的講解理論方法，需要學(xué)生具備良好的抽象思維能力。結(jié)合本校學(xué)生的學(xué)情，學(xué)生顯然做不到這一點(diǎn)。因此，在講解理論方法時(shí)，需要結(jié)合與之相對(duì)應(yīng)的例子進(jìn)行。例如對(duì)于自動(dòng)化和電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生可以結(jié)合RC、RLC、電機(jī)、電橋和受力分析等先前專業(yè)知識(shí)進(jìn)行講解[7]。以大家熟悉的某些電路作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行分析，然后設(shè)計(jì)出與控制要求相匹配的控制器。這樣既可以幫助學(xué)生理解所學(xué)的理論方法，還可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決實(shí)際控制問(wèn)題的能力。

3.3 實(shí)驗(yàn)和教學(xué)相結(jié)合

自動(dòng)控制原理這門課程的講授過(guò)程中，往往著重于理論知識(shí)的講解。而實(shí)驗(yàn)的作用也僅僅是為了驗(yàn)證課程中理論的正確性。在這一教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)并未發(fā)揮出它應(yīng)有的輔助和指導(dǎo)作用。

Matlab作為一款強(qiáng)大的仿真軟件，常常被用在各種系統(tǒng)的仿真分析中[8， 9]。針對(duì)上述問(wèn)題，可以將日常理論和Matlab仿真結(jié)合起來(lái)進(jìn)行教學(xué)。這樣對(duì)于某些知識(shí)點(diǎn)，教師可以預(yù)先給予引導(dǎo)，然后提出相應(yīng)的問(wèn)題，最后由學(xué)生通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)得出相應(yīng)的結(jié)論。比如二階系統(tǒng)分析中，ζ的不同取值對(duì)系統(tǒng)輸出響應(yīng)的影響和欠阻尼二階系統(tǒng)ζ的大小對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速性的影響，就可以運(yùn)用實(shí)驗(yàn)仿真的方法由學(xué)生自己探索。

如下利用Simulink搭建了幾個(gè)二階系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過(guò)改變?chǔ)频娜≈?，可以得到二階系統(tǒng)在不同阻尼比ζ下的輸出響應(yīng)。具體影響如圖2所示。以同樣的方法搭建了一個(gè)欠阻尼二階系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過(guò)該系統(tǒng)可以研究在欠阻尼情況下，ζ的大小對(duì)二階系統(tǒng)的影響。具體影響如圖4 所示。

其中，圖2從上至下，其ζ取值分別為-0.1、0、0.5、1和2；圖4從上至下，其ζ取值分別為0.1、0.3、0.5、0.7 和0.9。在圖2中，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，隨著ζ從負(fù)到正，由小到大，二階系統(tǒng)從發(fā)散逐步變?yōu)榉€(wěn)定。從圖4 中可以看出，隨著ζ在（0， 1）內(nèi)由小逐漸變大時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性在逐漸變好，系統(tǒng)快速性在逐步變差。

對(duì)于二階系統(tǒng)的分析，教師只需要講解二階系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的參數(shù)。而把參數(shù)ζ是如何改變系統(tǒng)性能的問(wèn)題，以仿真的形式讓學(xué)生自己去探索。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，讓學(xué)生自己得到相關(guān)問(wèn)題的結(jié)論。在這一過(guò)程中，還可以培養(yǎng)學(xué)生相互協(xié)作的能力。

除此之外，根軌跡分析法和頻域分析法，都是建立在繪圖基礎(chǔ)之上的分析方法。而Matlab恰恰擁有強(qiáng)大的繪圖能力，學(xué)生可以借助Matlab實(shí)現(xiàn)根軌跡圖、Nyquist圖和Bode圖的繪制，以此展開對(duì)系統(tǒng)的分析[10]。同時(shí)，對(duì)于控制器的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的校正問(wèn)題。學(xué)生也可以借助Matlab，設(shè)計(jì)出符合實(shí)際工程需要的控制器，使其滿足實(shí)際工程的需要。

4 效果與反思

在之后自動(dòng)控制原理的教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)以上三種方法的交叉應(yīng)用，可以明顯看出學(xué)生對(duì)于課程的參與度在增加。學(xué)生會(huì)緊跟教師的思路，會(huì)跟老師探討自動(dòng)控制原理相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，提出自己的疑問(wèn)，說(shuō)出自己的看法。因?yàn)橛袑W(xué)生自己熟悉的案例，課本上分析和校正系統(tǒng)的方法不再是冷冰冰的條條框框，學(xué)生會(huì)主動(dòng)學(xué)著去運(yùn)用它們解決一些控制問(wèn)題。同時(shí)，以實(shí)驗(yàn)作為手段，帶著問(wèn)題去探索，通過(guò)對(duì)比得出相應(yīng)的結(jié)論，這樣更利于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握。在這一過(guò)程中，還可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考，相互協(xié)作的能力。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)的自動(dòng)控制原理課程的簡(jiǎn)要介紹，剖析了本校在此門課程的日常教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的不足，結(jié)合本校應(yīng)用型本科學(xué)生的培養(yǎng)要求，對(duì)自動(dòng)控制原理這門課程進(jìn)行了教學(xué)探析。以多媒體與板書并重、案例與理論教學(xué)并行和實(shí)驗(yàn)與教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)形式，取代以往的理論教學(xué)為主的填鴨式的教學(xué)方式。所提方法本著以學(xué)生為中心的原則，志在培養(yǎng)學(xué)生的探索能力、創(chuàng)新能力和協(xié)作能力。使學(xué)生不但要理解所講內(nèi)容而且會(huì)靈活應(yīng)用所學(xué)內(nèi)容。