自動(dòng)控制原理在非自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)方法探索

摘 要 根據(jù)“自動(dòng)控制原理”課程特點(diǎn)，針對我校理論課時(shí)少、沒有后續(xù)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)情況，提出了建設(shè)在線開放課程、引入MATLAB實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、以賽促教等教學(xué)改革思路，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞 自動(dòng)控制原理 教學(xué)改革 MATLAB

中圖分類號：G421 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

“自動(dòng)控制原理”不僅是高校控制類專業(yè)必修課程，而且越來越多的非控制專業(yè)也列入必修課，也是各高校研究生入學(xué)考試的課程。自動(dòng)化的核心是控制技術(shù)，控制技術(shù)的基礎(chǔ)是控制理論，沒有先進(jìn)的控制理論就沒有先進(jìn)的控制技術(shù)。

自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用不僅使生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且減輕了人的勞動(dòng)強(qiáng)度；自動(dòng)控制使工作具有高度的準(zhǔn)確性，大大地提高了武器的命中率和戰(zhàn)斗力，例如火炮自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)必須采用計(jì)算機(jī)控制才能打下高速高空飛行的飛機(jī)；某些人們不能直接參與工作的場合就更離不開自動(dòng)控制技術(shù)了，例如原子能的生產(chǎn)、火炮或?qū)椀闹茖?dǎo)等等。

本文將結(jié)合我校電子信息工程和通信工程這兩個(gè)非自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)《自動(dòng)控制原理》這門課程的實(shí)際情況，介紹教學(xué)改革的一些方法探索。

1課程特點(diǎn)分析及目前教學(xué)過程中存在的問題

1.1課程教學(xué)內(nèi)容

《自動(dòng)控制原理》這門課主要是講自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立、介紹線性系統(tǒng)的時(shí)域分析、根軌跡分析、頻域分析三大分析設(shè)計(jì)方法，并介紹校正的相關(guān)概念與系統(tǒng)校正的設(shè)計(jì)方法。

要學(xué)好這門課程主要把握幾個(gè)環(huán)節(jié)：

（1）知識的連續(xù)性，一環(huán)扣一環(huán)，及時(shí)消化理解；

（2）自動(dòng)控制原理課程是建立在高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、積分變換、電路分析基礎(chǔ)、模擬電路、數(shù)字電路、大學(xué)物理、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、信號與系統(tǒng)等專業(yè)課之上，掌握好相關(guān)前導(dǎo)課程很重要；

（3）加強(qiáng)作業(yè)練習(xí)，作好課堂筆記；

（4）利用好答疑時(shí)間，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決；

（5）加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，會(huì)利用matlab軟件進(jìn)行仿真分析。

1.2課程現(xiàn)狀及存在的問題

自動(dòng)控制原理與智能制造關(guān)系密切，特點(diǎn)是概念深?yuàn)W難以理解、知識點(diǎn)眾多、工程實(shí)例豐富并具有抽象性，且對高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、電路分析、信號系統(tǒng)等課程要求較高，導(dǎo)致學(xué)習(xí)難度較大。我校開設(shè)自動(dòng)控制原理的專業(yè)有“電子信息工程”和“通信工程”，在以往的教學(xué)中，由于該課程只有32課時(shí)，且沒有后續(xù)的實(shí)驗(yàn)課或課程設(shè)計(jì)課開設(shè)，我們往往只注重講授基本概念、基礎(chǔ)理論和公式推導(dǎo)等相關(guān)理論知識，忽視了工程應(yīng)用，從而導(dǎo)致課堂十分枯燥乏味，學(xué)生厭學(xué)情緒嚴(yán)重，教師喪失教學(xué)激情。在教學(xué)實(shí)踐中主要存在的問題在于，過分強(qiáng)調(diào)抽象的理論及公式推導(dǎo)、強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)計(jì)算能力，與工程應(yīng)用幾乎脫節(jié)，學(xué)生無法將理論知識與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來。自控控制原理課程知識點(diǎn)眾多，為了在有限的授課時(shí)間保證學(xué)生學(xué)懂基本知識，目前采用“黑板加粉筆”結(jié)合多媒體教學(xué)方式，大量的計(jì)算推導(dǎo)還是利用板書完成，因?yàn)槎嗝襟w講解速度太快，學(xué)生一下難以消化。但是過長的理論推導(dǎo)過程很難吸引學(xué)生的注意力，往往是老師講的很起勁，學(xué)生聽的昏昏欲睡。綜上，對本門課程的教學(xué)改革迫在眉睫。

2教學(xué)改革方案

2.1建設(shè)在線開放課程

建設(shè)自動(dòng)控制原理在線開放課程，將課堂講授與在線課程學(xué)習(xí)結(jié)合起來。老師在課堂上講授系統(tǒng)知識，學(xué)生課下通過在線課程學(xué)習(xí)，鞏固各個(gè)知識點(diǎn)。對于在線開放課程的建設(shè)，需要考慮以下幾個(gè)方面：

（1）以知識點(diǎn)為基本教學(xué)單位，設(shè)計(jì)一定的典型例題，組織好教學(xué)內(nèi)容，充分發(fā)揮在線開放課程“短小精悍”的特點(diǎn)。

（2）根據(jù)不同教學(xué)實(shí)例及不同知識點(diǎn)的要求制作課程視頻，視頻內(nèi)容多采用圖片或Flash動(dòng)畫方式呈現(xiàn)，便于理解，且具有吸引力。

（3）根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)水平，充分考慮難度和題量，設(shè)計(jì)好在線同步練習(xí)。根據(jù)學(xué)生在線完成情況，可以有針對性的教學(xué)和答疑。

（4）成立“自動(dòng)控制原理”課程組，采用教學(xué)團(tuán)隊(duì)協(xié)作教學(xué)模式。在線課程的建設(shè)任務(wù)繁重，依靠一兩個(gè)任課老師是很難實(shí)現(xiàn)的，成立課程組之后，可以把任務(wù)均攤，根據(jù)各位老師的長處合理安排任務(wù)，更利于學(xué)科建設(shè)，多一些老師探討，也利于問題的解決。

2.2改革教學(xué)方式、轉(zhuǎn)變教學(xué)模式

重新修訂教學(xué)大綱，對課程體系進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，強(qiáng)化基礎(chǔ)知識，凸顯工程應(yīng)用。嘗試CDIO翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，要求學(xué)生每次課前通過在線課程自主學(xué)習(xí)相關(guān)模塊內(nèi)容，完成相應(yīng)練習(xí)測評內(nèi)容。老師通過交流平臺(tái)了解學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)以及一些共性問題，利用課堂時(shí)間集中進(jìn)行講解，再采用課上項(xiàng)目探究實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。課后學(xué)生需完成相應(yīng)書面作業(yè)及網(wǎng)上作業(yè)，鞏固所學(xué)知識。

2.3利用Matlab/Simulink增加實(shí)踐模塊

單純理論知識的學(xué)習(xí)過于抽象，必須通過實(shí)踐教學(xué)加強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識。通過實(shí)踐教學(xué)，可以讓學(xué)生懂得如何將控制理論用于解決實(shí)際控制系統(tǒng)的問題，加強(qiáng)工程應(yīng)用能力。而自動(dòng)控制原理的實(shí)驗(yàn)用硬件來設(shè)計(jì)有較大難度，可以利用MATLAB軟件設(shè)計(jì)。MATLAB是一款功能十分強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)仿真軟件，可以用于圖像處理、數(shù)值分析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、信號處理等多個(gè)領(lǐng)域，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB的Simulink仿真功能結(jié)合控制系統(tǒng)工具箱為實(shí)驗(yàn)的開設(shè)提供了便利。將MATLAB和Simulink引入教學(xué)之中，可以減少課堂上繁雜的數(shù)值計(jì)算，利用MATLAB的強(qiáng)大繪圖功能，便于定性分析各類控制系統(tǒng)的性能。對于一個(gè)實(shí)際的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性會(huì)隨著系統(tǒng)參數(shù)的變化發(fā)生改變，從而影響性能。利用MATLAB軟件可以很容易的分析參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響，還可以進(jìn)行可視化仿真。

例：已知系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G（S）=，H（S）=；試概略繪制閉環(huán)根軌跡圖（注意復(fù)數(shù)分離點(diǎn)的確定）。

根據(jù)題意，編寫程序如下：

num1=[1 12 32]；

den1=[1 24 144 0 0]；

[p1 z1]=pzmap（num1， den1）

figure，

rlocus（num1，den1）

系統(tǒng)根軌跡如圖1所示，其中分離點(diǎn)有3個(gè)：d1=-6，d2，3=-6眏5.29（復(fù)數(shù)分離點(diǎn)）。

2.4賽教結(jié)合，以賽促教

將自動(dòng)控制原理的教學(xué)與“恩智浦”杯智能汽車競賽結(jié)合起來，針對學(xué)有余力且興趣濃厚的學(xué)生，增加課余創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)。智能汽車競賽是以智能汽車為研究對象的創(chuàng)意性科技競賽，涵蓋了控制、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科交叉的科技創(chuàng)意性比賽，是面向全國大學(xué)生的一種具有探索性工程實(shí)踐活動(dòng)。該大賽分競速賽和創(chuàng)意賽，其中競速賽分不同的組別，需要在統(tǒng)一汽車模型平臺(tái)上，使用恩智浦公司的8位、16位、32位微控制器作為核心控制模塊，通過增加道路傳感器、設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、編寫控制算法程序等，制作一個(gè)能夠自主識別道路的模型汽車，在專門設(shè)計(jì)的跑道上自動(dòng)識別道路行駛，以完成時(shí)間最短者為優(yōu)勝。要想車子跑的快，其中很重要的一方面就是對控制算法的程序編寫。

我校電信、通信專業(yè)的學(xué)生每年都會(huì)參加這項(xiàng)比賽，取得過全國二等獎(jiǎng)的好成績。那么在《自動(dòng)控制原理》講課過程中，可以往屆參賽智能汽車為研究對象，設(shè)計(jì)任務(wù)分組讓同學(xué)們編寫自己的PID控制算法，然后現(xiàn)場測試汽車行駛情況。通過這種方法可以提高同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)動(dòng)手能力，進(jìn)一步為學(xué)生踏入社會(huì)找到好的工作奠定良好的基礎(chǔ)。

3結(jié)束語

國家在2015年頒布的“《中國制造2025》綱要”中提出了“智能制造”的概念，意味著我國急需精通自動(dòng)控制技術(shù)的高端人才。通過建設(shè)在線課程的方式以縮短課堂教學(xué)時(shí)間；利用MATLAB軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將理論與實(shí)際結(jié)合起來，改善學(xué)習(xí)效果；再配合學(xué)科競賽，可以全面提升教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)出具備一定工程實(shí)踐能力的學(xué)生。

作者簡介：楊祖芳，（1981-），女，漢族，湖北荊州人，碩士，武漢工商學(xué)院講師，研究方向：電子線路與嵌入式系統(tǒng)。

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