“自動(dòng)控制原理”案例式教學(xué)改革實(shí)踐＊

張貞艷，林卿，劉美俠

（宿遷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇宿遷 223800）

“自動(dòng)控制原理”是宿遷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。隨著科技的飛速發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)愈發(fā)重要。作為自動(dòng)化的核心課程，“自動(dòng)控制原理”作用巨大。如何讓學(xué)生利用有限的學(xué)時(shí)掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)理論，并能靈活應(yīng)用于工程實(shí)踐中，解決工程難題，是課題組的授課目標(biāo)。學(xué)校控制理論課題組積極響應(yīng)教育部《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》精神，不斷總結(jié)反思教學(xué)團(tuán)隊(duì)在授課過(guò)程中普遍存在的問(wèn)題，積極探索高等工程教育背景下“自動(dòng)控制原理”的教學(xué)改革新思路，有效變革傳統(tǒng)授課模式和培養(yǎng)方法，形成了以“案例式”教學(xué)為主要特色的授課模式。

1 課程教學(xué)中存在的主要問(wèn)題

“自動(dòng)控制原理”面臨如下主要難題：①課程層面?！白詣?dòng)控制原理”是對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象，在獲得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)學(xué)分析來(lái)研究實(shí)際系統(tǒng)特性的。內(nèi)容繁多抽象，如不合理穿插代表性的工程案例，將難以體現(xiàn)課程的實(shí)踐提升作用。②學(xué)生層面。在智能手機(jī)普及的網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，學(xué)生整體自我約束力不足，學(xué)習(xí)興趣低，課堂專注力差。穿插工程案例，有助于吸引學(xué)生的專注力，活躍課堂氣氛。③教師層面。照本宣科缺少案例的教學(xué)，其理論和實(shí)踐是脫節(jié)的，再多的引導(dǎo)啟發(fā)也體現(xiàn)不出課程的工程特色。對(duì)學(xué)校學(xué)生調(diào)研統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)的授課模式，即使在學(xué)完“自動(dòng)控制原理”后，很多學(xué)生仍然茫然困惑，學(xué)而不知何用。

2 課程教學(xué)的改革措施

為解決以上難題，課題組把“案例式”教學(xué)引入“自動(dòng)控制原理”課程中。具體措施如下。

精選“工程案例”，恰當(dāng)穿插到課程體系中。例如，數(shù)學(xué)建模中引入大功率高性能摩托車減震器系統(tǒng)、水箱液位控制系統(tǒng)；時(shí)域分析法中引入電動(dòng)輪椅的速度控制系統(tǒng)、噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)的自動(dòng)駕駛儀橫滾控制系統(tǒng)；根軌跡分析法中引入外科手術(shù)用激光操作控制系統(tǒng)；頻率特性法中引入單閉環(huán)有（無(wú)）靜差調(diào)速系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)麻醉控制系統(tǒng)；系統(tǒng)校正中引入機(jī)器人控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)等。在理論教學(xué)中融入工程實(shí)踐，將工程性放在課程首位。

著力打造“自動(dòng)控制原理”精品課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，形成課堂教學(xué)的有效擴(kuò)充。將選定的工程教學(xué)案例，制作成電子課件、微視頻，將前沿的最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制和魯棒控制等工程應(yīng)用的視頻資源上傳至精品課程網(wǎng)站。學(xué)生可根據(jù)課堂掌握情況，借助這一平臺(tái)觀看視頻，開闊視野，鞏固提升。

充分借助MATLAB 軟件仿真，課程中所有的教學(xué)案例都利用MATLAB 軟件進(jìn)行了模擬仿真，這不但能加強(qiáng)學(xué)生對(duì)軟件的利用，還能彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備上的不足，增加控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)上的說(shuō)服力。

3 “案例式”教學(xué)實(shí)施舉例

恰當(dāng)?shù)摹肮こ贪咐奔饶芗訌?qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的深入理解，又能使其對(duì)實(shí)際工程產(chǎn)生興趣，提高對(duì)課程的深入認(rèn)知。下面以應(yīng)用于外科手術(shù)的激光操作控制系統(tǒng)為例，闡述教學(xué)案例實(shí)施過(guò)程。

以微視頻的形式引出手術(shù)激光操作控制系統(tǒng)的應(yīng)用背景。

介紹激光操作控制系統(tǒng)基本構(gòu)成，定性分析各部分，提煉出系統(tǒng)控制框圖，如圖1 所示。

圖1 激光操作控制系統(tǒng)

提出手術(shù)對(duì)激光操作控制系統(tǒng)的具體要求：穩(wěn)定性好、穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)品質(zhì)優(yōu)。

圖1 中系統(tǒng)中電機(jī)勵(lì)磁時(shí)間常數(shù)T1=0.1 s，機(jī)電時(shí)間常數(shù)T2=0.2 s；要求學(xué)生設(shè)計(jì)放大器增益Ka，使該控制系統(tǒng)在單位斜坡輸入r（t）=At（A=1 mm/s）時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1 mm。

從穩(wěn)、準(zhǔn)、快三方面展開系統(tǒng)分析，求取系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)和閉環(huán)傳遞函數(shù)。

綜上Ka取10，可同時(shí)滿足穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差的要求。再次考慮系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)，利用根軌跡分析法，先繪制Ka從0增長(zhǎng)到∞時(shí)的根軌跡，如圖2 所示。

圖2 激光操作控制系統(tǒng)根軌跡

該系統(tǒng)有3 條根軌跡，對(duì)應(yīng)圖2 中①②③三條曲線，起始于開環(huán)極點(diǎn)，終止于無(wú)窮遠(yuǎn)處。

單位階躍指令下，原系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)近似為：

仿真驗(yàn)證。借助MATLAB 仿真，得原三階系統(tǒng)、近似二階系統(tǒng)的單位階躍、單位斜坡響應(yīng)分別如圖3～圖6 所示。

圖3 原三階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)

圖4 原三階系統(tǒng)單位斜坡響應(yīng)

圖5 近似二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)

圖6 近似二階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)

由圖3、圖5 可知，在階躍輸入下，激光操作控制系統(tǒng)雖最終能穩(wěn)定，但其響應(yīng)高度震蕩，動(dòng)態(tài)品質(zhì)很差。這說(shuō)明在外科手術(shù)中，不能采用階躍信號(hào)作為指令信號(hào)。圖4、圖6 驗(yàn)證了外科手術(shù)選用低速斜坡信號(hào)作為指令信號(hào)，動(dòng)態(tài)品質(zhì)好。對(duì)比原系統(tǒng)和近似系統(tǒng)仿真結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)二者具有基本相同的輸出響應(yīng)。這進(jìn)一步幫助學(xué)生加深了主導(dǎo)極點(diǎn)的概念，鞏固了根據(jù)近似低階系統(tǒng)估算高階系統(tǒng)性能指標(biāo)的方法。

4 結(jié)論

課題組分析了“自動(dòng)控制原理”課程面臨的主要問(wèn)題，給出了“案例式”教學(xué)改革措施，舉例論述了“案例式”教學(xué)設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)線上線下反復(fù)教學(xué)實(shí)踐證明，“案例式”教學(xué)有效提升了課堂效果，提升了學(xué)生的專業(yè)興趣和工程實(shí)踐能力。