“自动控制系统”课程的教学研究与探索

摘要：针对应用型本科自动化专业人才的培养，对“自动控制系统”课程的教学内容和方法进行探索和研究，加强控制系统设计实例分析。教学效果表明，实践应用是学生理解掌握知识的基础，是提高学生自主创新和思维能力的关键所在。

关键词：自动控制系统;教学研究;课程实践

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）42-0171-02

一个自动控制系统的设计过程，包括图1所示的每一个知识领域：对象与建模环节、执行与驱动环节、信息传输与处理环节、控制器设计环节。其中，自动化专业的核心即为控制与设计。面对各种各样错综复杂的系统，控制对象可能是确定的，也可能是随机的;控制方法可能是常规的，也可能需要优化设计。这样的学科专业教师应具有什么样的知识结构，学生具有什么样的专业背景，这正是教师“教”与学生“学”的过程中的难点所在。

“自动控制系统”作为自动化专业学生的必修课程，该课程的特点是：综合应用性广泛，理论知识面丰富，与实践环节联系紧密。在学生了解控制原理的基础之上，接触控制系统集成的概念，实现硬件和软件的综合、元件与系统的综合，真正进入“应用与实践”相结合的学习模式。针对应用型本科人才的培养定位，本文对“自动控制系统”课程的结构体系、内容方法和教学效果上作一些探讨和研究。

一、第一堂课：兴趣入门

“自动控制系统”的先修课程包括“自动控制原理”、“现代控制理论”、“电子技术”等，都是难度较大、理论性较强的抽象性思维课程，部分学生在学习的时候只能对一些公式、定理死记硬背，机械地应付考试，以至于重要的知识点学完就忘，考完就丢，根本就没有达到理解和掌握的程度。

为了提高学生学习的积极性和主动性，在课程设置的第一堂课就别出心裁，带领学生进入实验室参观学习，让学生最先接触到的是具体的控制系统，而非理论概念。学生在对控制过程有了直观印象之后，就会产生进一步深入了解的兴趣，通过探究的方式提出自己的问题：先前学习的控制原理应用在哪些方面，即将学习的控制系统又是如何来分析和设计的。在之后的课程学习中，学生带着这样的问题会寻求答案，并互相之间进行交流和讨论。教师也在教学的过程中，鼓励学生的自主探究，并根据不同的知识点抛出新的问题，形成控制理论中典型的循环反馈结构。在第一堂课，通过已知带动未知，抓住学生的好奇心，寻找合适的切入点，将学生引入自动控制领域的兴趣之门[1]。

二、课内教学：因材施教

应用型本科教育的培养模式，决定了教学必须以“应用、实践”为主，以“应用知识能力”作为培养学生成才的核心。“自动控制系统”的课内教学包括三个部分：56个学时的理论授课，8学时的课内实验，以及1周的课程设计。在基础理论教授的同时，通过建立几个贯穿整个课程体系的工程实例，来加深学生对概念的理解，把前后所学的专业知识融合起来，形成对系统的认知、分析和设计的过程。

（一）教学内容的精选

“自动控制系统”的主要内容就在于研究系统的特性，即稳态性能和动态性能，根据给出性能指标运用多种方法来设计相应的控制器，得到良好的输出响应。教师在讲课过程中，不仅仅要把基本原理和基本方法讲清楚、教明白，让学生理解“控制”的概念，还要把每一章节的内容通过具体的工程实例，生动地展现出理论的应用价值。

学院自动控制系统实验室的教学设备包括如下几套装置：倒立摆控制系统、磁悬浮控制系统、球杆控制系统、数字随动控制系统和小型水箱过程控制系统，自动化专业所学的理论知识都能在这些实验装置上集中体现。就以球杆系统为例，该系统是自动控制学习中的经典实验教学设备，是一个典型的开环、非线性不稳定系统，它的许多特性都是控制领域的热点问题。它的非线性主要体现在电机圆形转子和横杆角度的传动关系上，它的不稳定性主要体现在球杆的角度和小球位置的控制上。其对于控制理论学科来讲，是一个非常适于基础实验和开发研究的教学平台[2]。

利用球杆的“物理特性”建立系统的数学模型，如图2所示，即描述出被控对象的微分方程或传递函数，其中包括将非线性模型进行线性化，建立状态空间表达式的过程。其次，定义小球位置为输出量、齿轮角度为输入量，分析在不加任何控制环节时球杆系统的阶跃响应，得出其开环不稳定性。最后设计多种控制器：PID控制器、根轨迹控制器、频率响应控制器的控制效果，选择最优控制算法。通过这样的系统实例解析，让学生掌握分析问题和解决问题的能力。

（二）教学模式的发展

“自动控制系统”的实践性较强，教师在课堂教学时也以自动化工程师角度对学生授课，真正实现“双师型”教育。教学的模式也在逐步发展，从以往简单的教与学，发展到现在多种模式并存。除上文提到的探究式教学、案例式教学外，还可采用讨论式、对比式等方法，充分发挥学生的主观能动性，挖掘学生自身的学习意识[3]。

在授课过程中将多媒体技术的形象性、板书推导的条理性与教师讲解的系统性有机结合起来[4]。在近年的教学中发现，虽然使用多媒体课件教学能大大增加课程信息量，但正是由于信息量巨大，反而会使得部分学生在学习时充满迷惑，不知道哪部分内容为重点，觉得知识点过多而无法全部掌握。因此，板书的推导决不能忽视，将一些重要定理及公式推导在板书上复现，能够加深学生对重点内容的记忆，形成一个主次分明，结构完整的知识体系。当然这对教师则提出了更高的要求，脱稿的板书书写并对内容做实时解析，让学生受益匪浅。

（三）教学实践的加强

教学实践对于整个教学体系而言，是非常重要的组成部分，在重点培养学生独立解决问题能力和创新意识能力的现代教学，动手操作环节所占的比重越来越大。如何将一个控制系统“动起来”，所涉及范围较为广泛，还包括其他课程，如计算机技术和电子技术等，实践教学将这些课程合为一个系统，展现在学生面前，使学生加深对课程甚至自动化专业的理解。

MATLAB仿真软件作为先修课程单独授课，学生们对此已经比较熟悉，对控制系统的仿真验证可以作为课内辅助教学来增加课堂的趣味性和定理的可信度，也是实践操作环节的重要一步[5]。以磁悬浮控制系统为例，在建立控制系统的数学模型之后，可以设计较为复杂的模糊PID控制器，通过MATLAB进行仿真验证（如图3），最后在实际控制系统上调试实现稳定悬浮。

三、课外拓展：学以致用

“自动控制系统”的学习不仅仅局限于课内教学，也应积极拓展课外训练，学以致用，加强学生的科研创新能力。如指导学生完成创新项目“倒立摆系统的远程控制设计”，开发远程控制平台，实现校园内的网络实验和实时监控，大大提高了教学仪器装置的利用率。组织部分优秀学生加入创新团队，以现有控制系统为基础，研发环形倒立摆装置，获得全国大学生电子设计竞赛的优异成绩。

四、总结

专业知识的学习并不以考试合格作为最终目标，而是以实践应用作为理解掌握的基础。对“自动控制系统”课程进行教学研究和探索，不仅仅是对课程本身进行优化和提炼，更重要的是在为培养高等技术应用型人才而努力。

参考文献：

[1]唐超颖，姜斌.“自动控制原理”课程的探究性教学实践[J].电气电子教学学报，2007，29（6）：91-93.

[2]魏衡华.“系统与控制”实验教学研究与建设[J].教育与现代化，2003，（3）：9-12.

[3]李振龙，乔俊飞，孙亮，等.自动控制原理课程体系结构和教学方法探讨[J].教学研究，2009，32（2）：66-68.

[4]周立，赵凯，李炜，等.“自动控制原理”课程教学研究与改革[J].中国电力教育，2009，（20）：74-75.

[5]杨婕，程丽平，孙霞，等.应用型本科“自动控制原理”课程改革及实践[J].中国电力教育，2010，（4）：111-112.

基金项目：本文系2013年南京航空航天大学金城学院教育教学改革研究项目（2013-Y-04）的部分研究成果。

作者简介：闻凯（1983-），男，汉族，江苏江阴，南京航空航天大学金城学院讲师，主要从事自动控制系统、智能控制研究。