“虛實(shí)結(jié)合”的自動(dòng)控制原理教學(xué)方式研究

樊慧麗 孫學(xué)東

浙江萬(wàn)里學(xué)院 浙江寧波 315100

自動(dòng)控制原理是工科院校電氣類專業(yè)最主要的專業(yè)必修課，課程是以分析控制系統(tǒng)性能為基礎(chǔ)，進(jìn)而根據(jù)性能要求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的學(xué)科，是學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課的重要基礎(chǔ)，而且許多高校相關(guān)專業(yè)都把本課程作為考研專業(yè)課，因此如何教好并讓學(xué)生學(xué)好這門(mén)課程非常重要。自動(dòng)控制原理課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、概念抽象、數(shù)學(xué)分析貫穿始終，課程中的三大分析方法本質(zhì)上都是“分析+圖解”，分析過(guò)程依靠逐步試探和調(diào)整，計(jì)算工作量非常大；另外手工繪圖方法不但煩瑣而且也不精確。理論煩瑣和內(nèi)容枯燥使教師教起來(lái)困難，學(xué)生也缺乏學(xué)習(xí)興趣。Matlab是美國(guó)Math Works公司在20世紀(jì)80年代推出的高性能數(shù)值計(jì)算軟件，后來(lái)經(jīng)完善擴(kuò)充可進(jìn)行各種科學(xué)與工程技術(shù)計(jì)算，成為自動(dòng)控制理論、數(shù)字信號(hào)處理等課程的基本數(shù)學(xué)工具。課程組在教學(xué)過(guò)程中不斷對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合優(yōu)化，在理論教學(xué)過(guò)程中融入Matlab仿真教學(xué)，這不僅增強(qiáng)了分析過(guò)程和分析結(jié)果的可視性，也讓抽象的理論變得直觀易懂；另外為了突出控制理論的工程背景，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，課程組結(jié)合實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)的控制與自動(dòng)化專業(yè)培訓(xùn)系統(tǒng)(CATS)，創(chuàng)建了包含多任務(wù)的綜合項(xiàng)目，讓學(xué)生帶著真實(shí)的任務(wù)去學(xué)習(xí)。

1 理論教學(xué)與Matlab仿真的協(xié)調(diào)融合—“虛”

自動(dòng)控制原理主要講述經(jīng)典控制理論，包括系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型以及3種典型的系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)等內(nèi)容。鑒于Matlab軟件的強(qiáng)大功能，以往在理論教學(xué)結(jié)束后，針對(duì)課程的特點(diǎn)開(kāi)設(shè)了“Matlab控制系統(tǒng)仿真”實(shí)踐課，通過(guò)虛擬仿真加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，但在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)學(xué)生往往把它們作為兩門(mén)獨(dú)立的課程來(lái)學(xué)，教學(xué)效果不是很好。若能在整個(gè)理論教學(xué)過(guò)程中融入Matlab仿真教學(xué)，將二者合理有機(jī)結(jié)合在一起，就可以通過(guò)仿真演示讓抽象的理論變得直觀易懂，讓學(xué)生容易接受進(jìn)而產(chǎn)生興趣。于是在教學(xué)中對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行精選調(diào)整，并對(duì)課程教學(xué)方案和學(xué)生評(píng)價(jià)體系等諸多方面進(jìn)行改革。

對(duì)理論分析方法減少?gòu)?fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和證明，如求解微分方程時(shí)，可借助Matlab命令Laplace和ilaplace很快完成拉氏變換和拉氏反變換；還有高階系統(tǒng)的分析往往比較復(fù)雜，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)在工程中常采用主導(dǎo)極點(diǎn)的概念進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，主導(dǎo)極點(diǎn)概念講解起來(lái)比較復(fù)雜抽象，可借助Matlab軟件做出高階和降階后的兩種系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線，然后對(duì)照曲線進(jìn)行對(duì)比分析，復(fù)雜抽象的概念便很容易理解了。根軌跡法和頻域分析法是分析和設(shè)計(jì)線性定?？刂葡到y(tǒng)的圖解方法，在工程實(shí)踐中廣泛應(yīng)用，學(xué)習(xí)這兩種分析方法的目的是借助圖形對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，但在傳統(tǒng)教學(xué)中要花大量課時(shí)講解根軌跡和頻率特性的繪制方法，繪制方法難以記憶且證明復(fù)雜，課改后對(duì)這兩種圖形的手工繪制方法只做簡(jiǎn)單介紹，要求學(xué)生掌握由Matlab軟件快捷準(zhǔn)確繪制出圖形的方法，并把教學(xué)重心向系統(tǒng)的分析和性能比較上傾斜。

由Matlab中的margin命令做出頻率特性曲線，相角裕度和幅值裕度等開(kāi)環(huán)性能指標(biāo)會(huì)自動(dòng)計(jì)算出來(lái)，只要能在圖上對(duì)應(yīng)的把它們讀出即可，然后根據(jù)對(duì)數(shù)頻率穩(wěn)定判據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性判斷，操作方法簡(jiǎn)便快捷、直觀形象。此系統(tǒng)還需要加校正環(huán)節(jié)，只需在Matlab命令窗口鍵入sisotool命令，在新出現(xiàn)的窗口中導(dǎo)入系統(tǒng)傳遞函數(shù)，即可繪制出系統(tǒng)校正前后的bode圖和根軌跡(如圖1所示)，校正前后的系統(tǒng)性能指標(biāo)可方便求出，并能直觀快速地對(duì)校正前后系統(tǒng)的性能進(jìn)行對(duì)比分析，校正前的頻率特性(如圖1a所示)，系統(tǒng)的相角裕度為負(fù)值，根據(jù)頻域穩(wěn)定判據(jù)可判斷系統(tǒng)不穩(wěn)定；加入校正環(huán)節(jié)后的頻率特性(如圖1b所示)，系統(tǒng)傳遞函數(shù)添加了一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)，校正后系統(tǒng)穩(wěn)定，校正前后系統(tǒng)性能一目了然。這是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的題，包含了頻率分析法的很多知識(shí)點(diǎn)，求解過(guò)程若采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，繪制圖形耗時(shí)耗力，且計(jì)算復(fù)雜。

圖1 系統(tǒng)校正前后的根軌跡和bode圖

2 項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法—“實(shí)”

虛擬的仿真有它的優(yōu)點(diǎn)，但自動(dòng)控制原理是源于實(shí)際工程的理論課，對(duì)實(shí)際控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)則能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，掌握工程化的設(shè)計(jì)過(guò)程，能將自動(dòng)控制原理與方法轉(zhuǎn)換為工程實(shí)用技術(shù)。實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)的控制與自動(dòng)化專業(yè)培訓(xùn)系統(tǒng)(CATS)，通過(guò)軟總線LabMap對(duì)Matlab/Simulink的接口進(jìn)行擴(kuò)展，使CATS實(shí)驗(yàn)設(shè)備像實(shí)際工業(yè)應(yīng)用一樣在聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)試分析，在仿真模式下實(shí)時(shí)控制硬件，將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)融為一體。例如結(jié)合CATS設(shè)備，根據(jù)理論控制框圖設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制(如圖2所示)，通過(guò)對(duì)控制器的設(shè)計(jì)，學(xué)生可以親身體會(huì)到不同控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。通過(guò)在實(shí)際工業(yè)組件設(shè)備上進(jìn)行實(shí)踐操作，對(duì)所學(xué)理論知識(shí)有更加深入的理解和體會(huì)，更有效地提升學(xué)習(xí)興趣，鍛煉其工程實(shí)踐能力。

圖2 結(jié)合CATS實(shí)驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)控制框圖

傳統(tǒng)的教學(xué)方式將理論和實(shí)踐分開(kāi)教學(xué)，且多數(shù)是按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)步驟去做，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)比較多。本次課改中，我們將理論、仿真和實(shí)踐有機(jī)融合在一起，為了引導(dǎo)學(xué)生積極進(jìn)行實(shí)踐學(xué)習(xí)活動(dòng)，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)模式，在教學(xué)過(guò)程中結(jié)合CATS實(shí)驗(yàn)設(shè)備，精心設(shè)計(jì)了直流電機(jī)綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，該綜合項(xiàng)目包含四大任務(wù)，項(xiàng)目具體任務(wù)見(jiàn)表1，與理論講授知識(shí)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，項(xiàng)目涵蓋了整個(gè)自動(dòng)控制原理基本分析方法和設(shè)計(jì)、校正等知識(shí)點(diǎn)，這種探究式教學(xué)模式將理論與實(shí)踐有機(jī)融為一體，讓學(xué)生帶著任務(wù)去學(xué)習(xí)、去實(shí)踐。在任務(wù)實(shí)施過(guò)程中不僅調(diào)動(dòng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作積極性，而且在每個(gè)任務(wù)完成后均能掌握相應(yīng)的理論知識(shí)。教師根據(jù)任務(wù)的完成情況，對(duì)學(xué)生的過(guò)程學(xué)習(xí)做出評(píng)價(jià)，任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法使學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)量增加，所以可以相應(yīng)減少期末成績(jī)占總評(píng)成績(jī)的比重，逐漸改變以考試為主的教育模式。

表1 任務(wù)驅(qū)動(dòng)法中的四大任務(wù)

3 結(jié)束語(yǔ)

在傳統(tǒng)教學(xué)手段的基礎(chǔ)上，充分將虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方法應(yīng)用在本課程的教學(xué)中。Matlab軟件作為分析工具貫穿在整個(gè)教學(xué)中，仿真結(jié)果直觀形象，使抽象的理論知識(shí)簡(jiǎn)單化，既增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也在學(xué)習(xí)基本理論的同時(shí)能熟練掌握Matlab分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)的技能。另外理論教學(xué)和實(shí)踐操作有機(jī)結(jié)合，摒棄教師滿堂灌輸?shù)氖谡n方式，讓學(xué)生在學(xué)中做、做中學(xué)的過(guò)程中掌握自動(dòng)控制原理的基本理論。實(shí)際項(xiàng)目任務(wù)驅(qū)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，同時(shí)又能讓學(xué)生掌握經(jīng)典控制的基本理論。課改后的自動(dòng)控制原理教學(xué)內(nèi)容不再枯燥，以生為本，教學(xué)形式多樣化，為今后的實(shí)際工程應(yīng)用打好了基礎(chǔ)。當(dāng)今科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，為了進(jìn)一步提高教學(xué)質(zhì)量，還需要我們不斷改進(jìn)教學(xué)方法，探索新的教學(xué)模式。

[1]胡壽松.自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)明教程[M],北京:科學(xué)出版社,2008.

[2]岳舟,羅良才,曹鋒.“自動(dòng)控制原理”教學(xué)改革的研究與探索[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2010(20):5537-5538.

[3]謝莉萍,陳瑋,章云.精品課程“自動(dòng)控制原理”的教學(xué)改革與實(shí)踐[J],廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):社會(huì)科學(xué)版,2008 (2):31-36.

[4]CATS User Guide/MTU User Guide/Lab Map Handbook/automation experiments with CATS Tutorial[EB/OL].[2011-01-12].http://www.cbb-software.com.