樊慧麗 孫學東

浙江萬里學院 浙江寧波 315100

自動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，進而根據(jù)性能要求進行系統(tǒng)設計的學科，是學習后續(xù)專業(yè)課的重要基礎，而且許多高校相關專業(yè)都把本課程作為考研專業(yè)課，因此如何教好并讓學生學好這門課程非常重要。自動控制原理課程的特點是理論性強、概念抽象、數(shù)學分析貫穿始終，課程中的三大分析方法本質上都是“分析+圖解”，分析過程依靠逐步試探和調整，計算工作量非常大；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困難，學生也缺乏學習興趣。Matlab是美國Math Works公司在20世紀80年代推出的高性能數(shù)值計算軟件，后來經(jīng)完善擴充可進行各種科學與工程技術計算，成為自動控制理論、數(shù)字信號處理等課程的基本數(shù)學工具。課程組在教學過程中不斷對教學內(nèi)容進行整合優(yōu)化，在理論教學過程中融入Matlab仿真教學，這不僅增強了分析過程和分析結果的可視性，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，提高學生的工程實踐能力，課程組結合實驗室引進的控制與自動化專業(yè)培訓系統(tǒng)(CATS)，創(chuàng)建了包含多任務的綜合項目，讓學生帶著真實的任務去學習。

1 理論教學與Matlab仿真的協(xié)調融合—“虛”

自動控制原理主要講述經(jīng)典控制理論，包括系統(tǒng)的數(shù)學模型以及3種典型的系統(tǒng)分析和設計等內(nèi)容。鑒于Matlab軟件的強大功能，以往在理論教學結束后，針對課程的特點開設了“Matlab控制系統(tǒng)仿真”實踐課，通過虛擬仿真加深學生對理論知識的理解，但在教學實踐中發(fā)現(xiàn)學生往往把它們作為兩門獨立的課程來學，教學效果不是很好。若能在整個理論教學過程中融入Matlab仿真教學，將二者合理有機結合在一起，就可以通過仿真演示讓抽象的理論變得直觀易懂，讓學生容易接受進而產(chǎn)生興趣。于是在教學中對課程教學內(nèi)容進行精選調整，并對課程教學方案和學生評價體系等諸多方面進行改革。

對理論分析方法減少復雜的數(shù)學推導和證明，如求解微分方程時，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)的分析往往比較復雜，其動態(tài)響應在工程中常采用主導極點的概念進行簡化分析，主導極點概念講解起來比較復雜抽象，可借助Matlab軟件做出高階和降階后的兩種系統(tǒng)階躍響應曲線，然后對照曲線進行對比分析，復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計線性定?？刂葡到y(tǒng)的圖解方法，在工程實踐中廣泛應用，學習這兩種分析方法的目的是借助圖形對系統(tǒng)進行分析，但在傳統(tǒng)教學中要花大量課時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雜，課改后對這兩種圖形的手工繪制方法只做簡單介紹，要求學生掌握由Matlab軟件快捷準確繪制出圖形的方法，并把教學重心向系統(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環(huán)性能指標會自動計算出來，只要能在圖上對應的把它們讀出即可，然后根據(jù)對數(shù)頻率穩(wěn)定判據(jù)進行穩(wěn)定性判斷，操作方法簡便快捷、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)性能指標可方便求出，并能直觀快速地對校正前后系統(tǒng)的性能進行對比分析，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)添加了一個零點和一個極點，校正后系統(tǒng)穩(wěn)定，校正前后系統(tǒng)性能一目了然。這是一個綜合性很強的題，包含了頻率分析法的很多知識點，求解過程若采用傳統(tǒng)的教學方法，繪制圖形耗時耗力，且計算復雜。

圖1 系統(tǒng)校正前后的根軌跡和bode圖

2 項目任務驅動教學方法—“實”

虛擬的仿真有它的優(yōu)點，但自動控制原理是源于實際工程的理論課，對實際控制系統(tǒng)的分析和設計則能培養(yǎng)學生的實踐能力，掌握工程化的設計過程，能將自動控制原理與方法轉換為工程實用技術。實驗室引進的控制與自動化專業(yè)培訓系統(tǒng)(CATS)，通過軟總線LabMap對Matlab/Simulink的接口進行擴展，使CATS實驗設備像實際工業(yè)應用一樣在聯(lián)網(wǎng)試驗中進行測試分析，在仿真模式下實時控制硬件，將理論教學與實踐教學融為一體。例如結合CATS設備，根據(jù)理論控制框圖設計的閉環(huán)控制(如圖2所示)，通過對控制器的設計，學生可以親身體會到不同控制參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。通過在實際工業(yè)組件設備上進行實踐操作，對所學理論知識有更加深入的理解和體會，更有效地提升學習興趣，鍛煉其工程實踐能力。

圖2 結合CATS實驗設備系統(tǒng)控制框圖

傳統(tǒng)的教學方式將理論和實踐分開教學，且多數(shù)是按照實驗指導書步驟去做，驗證性實驗比較多。本次課改中，我們將理論、仿真和實踐有機融合在一起，為了引導學生積極進行實踐學習活動，采用任務驅動的教學模式，在教學過程中結合CATS實驗設備，精心設計了直流電機綜合實訓項目，該綜合項目包含四大任務，項目具體任務見表1，與理論講授知識點一一對應，項目涵蓋了整個自動控制原理基本分析方法和設計、校正等知識點，這種探究式教學模式將理論與實踐有機融為一體，讓學生帶著任務去學習、去實踐。在任務實施過程中不僅調動了學生的實驗操作積極性，而且在每個任務完成后均能掌握相應的理論知識。教師根據(jù)任務的完成情況，對學生的過程學習做出評價，任務驅動教學方法使學生平時學習量增加，所以可以相應減少期末成績占總評成績的比重，逐漸改變以考試為主的教育模式。

表1 任務驅動法中的四大任務

3 結束語

在傳統(tǒng)教學手段的基礎上，充分將虛實結合的教學方法應用在本課程的教學中。Matlab軟件作為分析工具貫穿在整個教學中，仿真結果直觀形象，使抽象的理論知識簡單化，既增強了學生的學習興趣，也在學習基本理論的同時能熟練掌握Matlab分析設計系統(tǒng)的技能。另外理論教學和實踐操作有機結合，摒棄教師滿堂灌輸?shù)氖谡n方式，讓學生在學中做、做中學的過程中掌握自動控制原理的基本理論。實際項目任務驅動了學生的學習積極性和主動性，同時又能讓學生掌握經(jīng)典控制的基本理論。課改后的自動控制原理教學內(nèi)容不再枯燥，以生為本，教學形式多樣化，為今后的實際工程應用打好了基礎。當今科學技術迅猛發(fā)展，為了進一步提高教學質量，還需要我們不斷改進教學方法，探索新的教學模式。

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