自动控制理论课程改革探讨

敖章洪 齐庭庭

（湖南文理学院计算机与电气工程学院，常德 415000）

自动控制理论课程是自动化专业重要的专业课，也是电类各学科、多数非电类工程专业重要课程之一[1-2]，该课程的主要特点是理论与实践并重[3-4]。由于本课程的实际特点，采用传统教学方法时，学生往往出现抓不住重点、兴趣不高、课堂参与度低等问题，教学过程实施完毕后，学生又往往难以灵活地将理论用于实践，解决具体工程问题的能力较弱[5-6]。为适应我校人才培养向应用型转型的要求，提高教学效果，本课程近年来积极进行教学改革，充分吸收启发式教学、案例式教学、PBL 教学（问题驱动教学）等的优点进行教学。

一、课程与其他课程的关系[7-8]

自动控制理论理论分析较多，课程中传递函数分析、稳定性分析、根轨迹分析、频域分析、校正设计、状态空间分析、可控性与可观性分析、状态反馈设计等内容具有较强的理论复杂性，要求学生在学习本课程之前就较好地掌握数学、物理方面课程的内容，同时本课程的教学还要求学生具有一定的专业知识基础和实践基础；另外，教学内容也面向工程一线，具有很强的实用性，教学内容都着眼于解决具体的工程问题、培养学生的工程意识，要求学生通过本课程的学习，能理论联系实际地思考问题，最终在自动控制方面做到“能分析、会设计”。自动控制理论与其他课程的关系如图1 所示。

二、课程的总体设计[9-10]

根据课程特点，将教学内容分成三大模块组织教学，分别是经典现代通用教学模块、经典控制教学模块和现代控制教学模块，具体每个教学模块涵盖的内容及教学流程设计见图2 所示。本课程选用胡寿松主编、科技出版社出版的《自动控制原理》（第六版）作为教材，这也是行业内使用最广泛的教材。实际教学时，为适应学校人才培养向应用型转型的要求，结合学生实际，教学内容基于该教材而不限于该教材，上课时较多地选用工程实例进行教学，并对行业内使用较多的MATLAB 软件进行功能介绍和操作讲解，真正做到教学与实践对接。教学课件中较多地采用图片、视频等多媒体手段，提高学生的感性认识，并根据国内外自动控制系统的最新发展趋势和最新研究成果，及时更新教学内容，做到与时俱进。

三、主要教学方法

1.案例式教学

根据本课程特点，结合工程实际，在教学上可采用工程案例或生活案例进行教学，便于学生理解相关内容。

（1）工程案例

在自动控制系统中，研究的一般是反馈控制系统，这就要求说清楚反馈的相关概念，特别是需要学生能区别正反馈与负反馈。这里可采用较常见的液位控制系统为例进行讲解正反馈和负反馈概念，如图3 所示。

从图3（a）可以看出，当液位受到某种扰动导致液位下降时，杠杆左边下降，杠杠右边上升，从而使得进水阀关小，导致进水减少，液位进一步下降，进水阀关的更小，进水也进一步减少，这样循环下来，进水阀很快会关闭，随着出水阀处水的持续流出，液位会下降到零。这表明受到干扰后液位无法保持恒定，反馈加快了这种变化趋势，属于正反馈。从图3（b）可以看出，当液位受到某种扰动导致液位下降时，杠杆右边下降，杠杠左边上升，从而使得进水阀开度变大，导致进水增加，液位上升，这表明受到干扰后液位通过反馈减小了这种变化趋势，属于负反馈。

图1 自动控制理论与其他课程的关系

图2 自动控制理论课程总体设计

图3 液位控制系统

除了概念外，本课程很多内容采用工程案例进行教学，这里以机器人关节指向控制系统为例进行说明，其控制框图如图4 所示。

由于负载改变及机械臂伸展位置的变化，负载对机器人会产生不同的影响。当机械手抓持负载后，就可能使机器人产生偏差。教师可由此展开相应教学，如负载对系统的影响有多大、减少这种影响的方法有哪些、稳态误差多大、减少稳态误差的方法等。这样将工程实例引入课堂，让学生知道学习的知识用在了什么地方，能激发学生学习积极性。

图4 机器人关节指向控制系统

（2）生活案例

在我们生活中有许多与自动控制理论相关的案例。如在讲惯性环节时，系统输出与输入之间存在一定时间的滞后，这可用生活中常见的水银温度计为例。一般学生都有用水银温度计量体温的经历，知道必须经过几分钟后才能较准确地量出体温，这就是典型的惯性环节。又如讲解迟滞环节时，可这样举例：自己需要亲自洗车，于是用水龙头接了一根较长的水管来放水，打开水龙头后，水管末端不会立即出水，需要等一会儿才会有水流出来，这就类似于迟滞环节。通过不同的生活案例，不仅让学生掌握了相关知识，还认识到相关知识在生活中的应用，能激发学生的学习兴趣。

2.专业软件辅助教学

本课程可通过专业软件进行理论课和实验课的辅助教学，笔者使用的是MATLAB 软件，通过该软件，便于学生理解相关知识点，能检验学生的知识掌握程度，找出知识的遗漏点，进一步巩固相关知识。

（1）理论教学应用

这里以根轨迹分析为例进行说明。

这里可先让学生自己绘制根轨迹图，然后用MATLAB 软件绘制根轨迹。

编写程序如下：

绘制的根轨迹如图5 所示，根据绘制的根轨迹图，让学生与自己绘制的图形进行比较，看哪些地方不一致。然后再根据MATLAB 绘制的图形强调实轴上根轨迹区间的判断方法、渐近线的计算、根轨迹与虚轴的交点等内容。通过这种方式学生能知道自己错在哪里，哪些知识有所欠缺，这样知识点的掌握就比较牢固了。

（2）实验教学应用

图5 根轨迹图

本课程的实验教学中，学生只是需要先接好线，再把相应结果记录下来就完了，学生一般知其然不知其所以然，实验效果不好。通过MATLAB 软件，对实验的内容先进行建模分析，再去接实物，这样效果更好。比如在做“典型环节模拟实验”时，通过MATLAB 对典型的环节如积分环节、微分环节、一阶惯性环节、振荡环节等分析系统工作原理，进行建模，得到仿真结果，再用实验箱进行接线，比较实验结果和仿真结果，这样可让学生知道为什么会有这样的结果，加深了印象。

3.信息化教学

本课程相关资源已挂在网上，包括课件、习题、测试题、相应环节的慕课资源、视频讲解等，学生可以通过网络自主学习。与此同时在教学中通过手机APP 开展各种教学活动，如学生的签到、作业布置、回答问题、讨论、测验、在线课堂等。通过这些信息化手段，便于学生加深对知识的理解，提高他们的学习积极性，引导他们利用手机获取相关资源，用好手机。

4.翻转课堂教学

本课程理论知识多，因此造成学生理解困难。为解决这个问题，可针对难点布置任务，然后在课堂上留一定时间出来让学生上讲台讲，在讲解过程中学生自然就加深了印象。例如，讲解劳斯稳定判据分析系统稳定性时，要求学生掌握劳斯表的生成及根据劳斯表判断系统的稳定性这两个知识点，这时可提前通知1 组学生进行预习，要求每个知识点1 位同学上台进行讲解，组长根据能力大小给每个组员分配任务，对知识点内容和PPT 的设计等进行组间讨论。进行正式讲解时，组长提交该组每位成员的任务分配及参与讨论的证明资料。讲解时，这组的其他同学可进行补充说明。讲解完成后由教师根据讲解情况、每个组员的参与程度等计入平时成绩加分项。教师最后再对知识点进行归纳总结，通过这种形式，一方面通过平时成绩加分激发学生学习积极性，让学生注意力集中到所讲知识点上，便于理解，另一方面锻炼了学生的表达能力，培养了学生团结合作能力。

四、结论

本课程教学的目的不仅是传授专业知识、促进学生知识积累和知识结构优化，更重要的是让学生能主动思考问题、自己获取知识，并可以将这些知识转变为解决实际工程 问题的能力。针对本课程“理论与实践并重”的特点，讲授理论性较强的内容时，在基本概念正确、计算前提清晰的条件下，鼓励学生进行上讲台进行公式推导和演算，不仅要让学生知道“是什么”，更要知道“为什么”，同时结合工程案例和软件计算加深认识，知道“怎么用”。对于实践性较强的知识，则精心设计教学过程，在合适的情境下提出实际工程问题，进行问题驱动式教学、信息化教学和启发式教学，结合图片和相关视频，引导学生通过自行思考、相互讨论得出答案，提高其分析和解决实际工程问题的能力。通过一个学期的教学，学生反响较好，学生学习积极性得到了提高，教学效果显著提升。