聞凱+王恒+朱海霞+王志凌

摘要：針對應用型本科自動化專業(yè)人才的培養(yǎng)，對“自動控制系統(tǒng)”課程的教學內(nèi)容和方法進行探索和研究，加強控制系統(tǒng)設計實例分析。教學效果表明，實踐應用是學生理解掌握知識的基礎，是提高學生自主創(chuàng)新和思維能力的關(guān)鍵所在。

關(guān)鍵詞：自動控制系統(tǒng);教學研究;課程實踐

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2014）42-0171-02

一個自動控制系統(tǒng)的設計過程，包括圖1所示的每一個知識領域：對象與建模環(huán)節(jié)、執(zhí)行與驅(qū)動環(huán)節(jié)、信息傳輸與處理環(huán)節(jié)、控制器設計環(huán)節(jié)。其中，自動化專業(yè)的核心即為控制與設計。面對各種各樣錯綜復雜的系統(tǒng)，控制對象可能是確定的，也可能是隨機的;控制方法可能是常規(guī)的，也可能需要優(yōu)化設計。這樣的學科專業(yè)教師應具有什么樣的知識結(jié)構(gòu)，學生具有什么樣的專業(yè)背景，這正是教師“教”與學生“學”的過程中的難點所在。

“自動控制系統(tǒng)”作為自動化專業(yè)學生的必修課程，該課程的特點是：綜合應用性廣泛，理論知識面豐富，與實踐環(huán)節(jié)聯(lián)系緊密。在學生了解控制原理的基礎之上，接觸控制系統(tǒng)集成的概念，實現(xiàn)硬件和軟件的綜合、元件與系統(tǒng)的綜合，真正進入“應用與實踐”相結(jié)合的學習模式。針對應用型本科人才的培養(yǎng)定位，本文對“自動控制系統(tǒng)”課程的結(jié)構(gòu)體系、內(nèi)容方法和教學效果上作一些探討和研究。

一、第一堂課：興趣入門

“自動控制系統(tǒng)”的先修課程包括“自動控制原理”、“現(xiàn)代控制理論”、“電子技術(shù)”等，都是難度較大、理論性較強的抽象性思維課程，部分學生在學習的時候只能對一些公式、定理死記硬背，機械地應付考試，以至于重要的知識點學完就忘，考完就丟，根本就沒有達到理解和掌握的程度。

為了提高學生學習的積極性和主動性，在課程設置的第一堂課就別出心裁，帶領學生進入實驗室參觀學習，讓學生最先接觸到的是具體的控制系統(tǒng)，而非理論概念。學生在對控制過程有了直觀印象之后，就會產(chǎn)生進一步深入了解的興趣，通過探究的方式提出自己的問題：先前學習的控制原理應用在哪些方面，即將學習的控制系統(tǒng)又是如何來分析和設計的。在之后的課程學習中，學生帶著這樣的問題會尋求答案，并互相之間進行交流和討論。教師也在教學的過程中，鼓勵學生的自主探究，并根據(jù)不同的知識點拋出新的問題，形成控制理論中典型的循環(huán)反饋結(jié)構(gòu)。在第一堂課，通過已知帶動未知，抓住學生的好奇心，尋找合適的切入點，將學生引入自動控制領域的興趣之門[1]。

二、課內(nèi)教學：因材施教

應用型本科教育的培養(yǎng)模式，決定了教學必須以“應用、實踐”為主，以“應用知識能力”作為培養(yǎng)學生成才的核心?！白詣涌刂葡到y(tǒng)”的課內(nèi)教學包括三個部分：56個學時的理論授課，8學時的課內(nèi)實驗，以及1周的課程設計。在基礎理論教授的同時，通過建立幾個貫穿整個課程體系的工程實例，來加深學生對概念的理解，把前后所學的專業(yè)知識融合起來，形成對系統(tǒng)的認知、分析和設計的過程。

（一）教學內(nèi)容的精選

“自動控制系統(tǒng)”的主要內(nèi)容就在于研究系統(tǒng)的特性，即穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能，根據(jù)給出性能指標運用多種方法來設計相應的控制器，得到良好的輸出響應。教師在講課過程中，不僅僅要把基本原理和基本方法講清楚、教明白，讓學生理解“控制”的概念，還要把每一章節(jié)的內(nèi)容通過具體的工程實例，生動地展現(xiàn)出理論的應用價值。

學院自動控制系統(tǒng)實驗室的教學設備包括如下幾套裝置：倒立擺控制系統(tǒng)、磁懸浮控制系統(tǒng)、球桿控制系統(tǒng)、數(shù)字隨動控制系統(tǒng)和小型水箱過程控制系統(tǒng)，自動化專業(yè)所學的理論知識都能在這些實驗裝置上集中體現(xiàn)。就以球桿系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)是自動控制學習中的經(jīng)典實驗教學設備，是一個典型的開環(huán)、非線性不穩(wěn)定系統(tǒng)，它的許多特性都是控制領域的熱點問題。它的非線性主要體現(xiàn)在電機圓形轉(zhuǎn)子和橫桿角度的傳動關(guān)系上，它的不穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在球桿的角度和小球位置的控制上。其對于控制理論學科來講，是一個非常適于基礎實驗和開發(fā)研究的教學平臺[2]。

利用球桿的“物理特性”建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，如圖2所示，即描述出被控對象的微分方程或傳遞函數(shù)，其中包括將非線性模型進行線性化，建立狀態(tài)空間表達式的過程。其次，定義小球位置為輸出量、齒輪角度為輸入量，分析在不加任何控制環(huán)節(jié)時球桿系統(tǒng)的階躍響應，得出其開環(huán)不穩(wěn)定性。最后設計多種控制器：PID控制器、根軌跡控制器、頻率響應控制器的控制效果，選擇最優(yōu)控制算法。通過這樣的系統(tǒng)實例解析，讓學生掌握分析問題和解決問題的能力。

（二）教學模式的發(fā)展

“自動控制系統(tǒng)”的實踐性較強，教師在課堂教學時也以自動化工程師角度對學生授課，真正實現(xiàn)“雙師型”教育。教學的模式也在逐步發(fā)展，從以往簡單的教與學，發(fā)展到現(xiàn)在多種模式并存。除上文提到的探究式教學、案例式教學外，還可采用討論式、對比式等方法，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，挖掘?qū)W生自身的學習意識[3]。

在授課過程中將多媒體技術(shù)的形象性、板書推導的條理性與教師講解的系統(tǒng)性有機結(jié)合起來[4]。在近年的教學中發(fā)現(xiàn)，雖然使用多媒體課件教學能大大增加課程信息量，但正是由于信息量巨大，反而會使得部分學生在學習時充滿迷惑，不知道哪部分內(nèi)容為重點，覺得知識點過多而無法全部掌握。因此，板書的推導決不能忽視，將一些重要定理及公式推導在板書上復現(xiàn)，能夠加深學生對重點內(nèi)容的記憶，形成一個主次分明，結(jié)構(gòu)完整的知識體系。當然這對教師則提出了更高的要求，脫稿的板書書寫并對內(nèi)容做實時解析，讓學生受益匪淺。

（三）教學實踐的加強

教學實踐對于整個教學體系而言，是非常重要的組成部分，在重點培養(yǎng)學生獨立解決問題能力和創(chuàng)新意識能力的現(xiàn)代教學，動手操作環(huán)節(jié)所占的比重越來越大。如何將一個控制系統(tǒng)“動起來”，所涉及范圍較為廣泛，還包括其他課程，如計算機技術(shù)和電子技術(shù)等，實踐教學將這些課程合為一個系統(tǒng)，展現(xiàn)在學生面前，使學生加深對課程甚至自動化專業(yè)的理解。

MATLAB仿真軟件作為先修課程單獨授課，學生們對此已經(jīng)比較熟悉，對控制系統(tǒng)的仿真驗證可以作為課內(nèi)輔助教學來增加課堂的趣味性和定理的可信度，也是實踐操作環(huán)節(jié)的重要一步[5]。以磁懸浮控制系統(tǒng)為例，在建立控制系統(tǒng)的數(shù)學模型之后，可以設計較為復雜的模糊PID控制器，通過MATLAB進行仿真驗證（如圖3），最后在實際控制系統(tǒng)上調(diào)試實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。

三、課外拓展：學以致用

“自動控制系統(tǒng)”的學習不僅僅局限于課內(nèi)教學，也應積極拓展課外訓練，學以致用，加強學生的科研創(chuàng)新能力。如指導學生完成創(chuàng)新項目“倒立擺系統(tǒng)的遠程控制設計”，開發(fā)遠程控制平臺，實現(xiàn)校園內(nèi)的網(wǎng)絡實驗和實時監(jiān)控，大大提高了教學儀器裝置的利用率。組織部分優(yōu)秀學生加入創(chuàng)新團隊，以現(xiàn)有控制系統(tǒng)為基礎，研發(fā)環(huán)形倒立擺裝置，獲得全國大學生電子設計競賽的優(yōu)異成績。

四、總結(jié)

專業(yè)知識的學習并不以考試合格作為最終目標，而是以實踐應用作為理解掌握的基礎。對“自動控制系統(tǒng)”課程進行教學研究和探索，不僅僅是對課程本身進行優(yōu)化和提煉，更重要的是在為培養(yǎng)高等技術(shù)應用型人才而努力。

參考文獻：

[1]唐超穎，姜斌.“自動控制原理”課程的探究性教學實踐[J].電氣電子教學學報，2007，29（6）：91-93.

[2]魏衡華.“系統(tǒng)與控制”實驗教學研究與建設[J].教育與現(xiàn)代化，2003，（3）：9-12.

[3]李振龍，喬俊飛，孫亮，等.自動控制原理課程體系結(jié)構(gòu)和教學方法探討[J].教學研究，2009，32（2）：66-68.

[4]周立，趙凱，李煒，等.“自動控制原理”課程教學研究與改革[J].中國電力教育，2009，（20）：74-75.

[5]楊婕，程麗平，孫霞，等.應用型本科“自動控制原理”課程改革及實踐[J].中國電力教育，2010，（4）：111-112.

基金項目：本文系2013年南京航空航天大學金城學院教育教學改革研究項目（2013-Y-04）的部分研究成果。

作者簡介：聞凱（1983-），男，漢族，江蘇江陰，南京航空航天大學金城學院講師，主要從事自動控制系統(tǒng)、智能控制研究。endprint