自动控制原理在非自动化专业的教学方法探索

摘 要 根据“自动控制原理”课程特点，针对我校理论课时少、没有后续实践教学环节的教学情况，提出了建设在线开放课程、引入MATLAB实验教学内容、以赛促教等教学改革思路，以提高学生的学习兴趣及工程实践能力。

关键词 自动控制原理 教学改革 MATLAB

中图分类号：G421 文献标识码：A

0引言

“自动控制原理”不仅是高校控制类专业必修课程，而且越来越多的非控制专业也列入必修课，也是各高校研究生入学考试的课程。自动化的核心是控制技术，控制技术的基础是控制理论，没有先进的控制理论就没有先进的控制技术。

自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产率，而且减轻了人的劳动强度；自动控制使工作具有高度的准确性，大大地提高了武器的命中率和战斗力，例如火炮自动跟踪系统必须采用计算机控制才能打下高速高空飞行的飞机；某些人们不能直接参与工作的场合就更离不开自动控制技术了，例如原子能的生产、火炮或导弹的制导等等。

本文将结合我校电子信息工程和通信工程这两个非自动化专业开设《自动控制原理》这门课程的实际情况，介绍教学改革的一些方法探索。

1课程特点分析及目前教学过程中存在的问题

1.1课程教学内容

《自动控制原理》这门课主要是讲自动控制系统的基本概念、控制系统的数学模型建立、介绍线性系统的时域分析、根轨迹分析、频域分析三大分析设计方法，并介绍校正的相关概念与系统校正的设计方法。

要学好这门课程主要把握几个环节：

（1）知识的连续性，一环扣一环，及时消化理解；

（2）自动控制原理课程是建立在高等数学、线性代数、积分变换、电路分析基础、模拟电路、数字电路、大学物理、机械设计基础、信号与系统等专业课之上，掌握好相关前导课程很重要；

（3）加强作业练习，作好课堂笔记；

（4）利用好答疑时间，发现问题及时解决；

（5）加强实践环节，会利用matlab软件进行仿真分析。

1.2课程现状及存在的问题

自动控制原理与智能制造关系密切，特点是概念深奥难以理解、知识点众多、工程实例丰富并具有抽象性，且对高等数学、线性代数、电路分析、信号系统等课程要求较高，导致学习难度较大。我校开设自动控制原理的专业有“电子信息工程”和“通信工程”，在以往的教学中，由于该课程只有32课时，且没有后续的实验课或课程设计课开设，我们往往只注重讲授基本概念、基础理论和公式推导等相关理论知识，忽视了工程应用，从而导致课堂十分枯燥乏味，学生厌学情绪严重，教师丧失教学激情。在教学实践中主要存在的问题在于，过分强调抽象的理论及公式推导、强调数学计算能力，与工程应用几乎脱节，学生无法将理论知识与实际应用结合起来。自控控制原理课程知识点众多，为了在有限的授课时间保证学生学懂基本知识，目前采用“黑板加粉笔”结合多媒体教学方式，大量的计算推导还是利用板书完成，因为多媒体讲解速度太快，学生一下难以消化。但是过长的理论推导过程很难吸引学生的注意力，往往是老师讲的很起劲，学生听的昏昏欲睡。综上，对本门课程的教学改革迫在眉睫。

2教学改革方案

2.1建设在线开放课程

建设自动控制原理在线开放课程，将课堂讲授与在线课程学习结合起来。老师在课堂上讲授系统知识，学生课下通过在线课程學习，巩固各个知识点。对于在线开放课程的建设，需要考虑以下几个方面：

（1）以知识点为基本教学单位，设计一定的典型例题，组织好教学内容，充分发挥在线开放课程“短小精悍”的特点。

（2）根据不同教学实例及不同知识点的要求制作课程视频，视频内容多采用图片或Flash动画方式呈现，便于理解，且具有吸引力。

（3）根据学生的学习基础水平，充分考虑难度和题量，设计好在线同步练习。根据学生在线完成情况，可以有针对性的教学和答疑。

（4）成立“自动控制原理”课程组，采用教学团队协作教学模式。在线课程的建设任务繁重，依靠一两个任课老师是很难实现的，成立课程组之后，可以把任务均摊，根据各位老师的长处合理安排任务，更利于学科建设，多一些老师探讨，也利于问题的解决。

2.2改革教学方式、转变教学模式

重新修订教学大纲，对课程体系进行调整优化，强化基础知识，凸显工程应用。尝试CDIO翻转课堂教学模式，要求学生每次课前通过在线课程自主学习相关模块内容，完成相应练习测评内容。老师通过交流平台了解学生学习的难点以及一些共性问题，利用课堂时间集中进行讲解，再采用课上项目探究实践环节设计。课后学生需完成相应书面作业及网上作业，巩固所学知识。

2.3利用Matlab/Simulink增加实践模块

单纯理论知识的学习过于抽象，必须通过实践教学加强学生的感性认识。通过实践教学，可以让学生懂得如何将控制理论用于解决实际控制系统的问题，加强工程应用能力。而自动控制原理的实验用硬件来设计有较大难度，可以利用MATLAB软件设计。MATLAB是一款功能十分强大的计算机仿真软件，可以用于图像处理、数值分析、控制系统设计、神经网络、信号处理等多个领域，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB的Simulink仿真功能结合控制系统工具箱为实验的开设提供了便利。将MATLAB和Simulink引入教学之中，可以减少课堂上繁杂的数值计算，利用MATLAB的强大绘图功能，便于定性分析各类控制系统的性能。对于一个实际的控制系统，系统的动态特性会随着系统参数的变化发生改变，从而影响性能。利用MATLAB软件可以很容易的分析参数变化对系统的影响，还可以进行可视化仿真。

例：已知系统的传递函数为G（S）=，H（S）=；试概略绘制闭环根轨迹图（注意复数分离点的确定）。

根据题意，编写程序如下：

num1=[1 12 32]；

den1=[1 24 144 0 0]；

[p1 z1]=pzmap（num1， den1）

figure，

rlocus（num1，den1）

系统根轨迹如图1所示，其中分离点有3个：d1=-6，d2，3=-6眏5.29（复数分离点）。

2.4赛教结合，以赛促教

将自动控制原理的教学与“恩智浦”杯智能汽车竞赛结合起来，针对学有余力且兴趣浓厚的学生，增加课余创新实践训练环节。智能汽车竞赛是以智能汽车为研究对象的创意性科技竞赛，涵盖了控制、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技创意性比赛，是面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动。该大赛分竞速赛和创意赛，其中竞速赛分不同的组别，需要在统一汽车模型平台上，使用恩智浦公司的8位、16位、32位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、设计电机驱动电路、编写控制算法程序等，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，在专门设计的跑道上自动识别道路行驶，以完成时间最短者为优胜。要想车子跑的快，其中很重要的一方面就是对控制算法的程序编写。

我校电信、通信专业的学生每年都会参加这项比赛，取得过全国二等奖的好成绩。那么在《自动控制原理》讲课过程中，可以往届参赛智能汽车为研究对象，设计任务分组让同学们编写自己的PID控制算法，然后现场测试汽车行驶情况。通过这种方法可以提高同学们的学习兴趣，增强动手能力，进一步为学生踏入社会找到好的工作奠定良好的基础。

3结束语

国家在2015年颁布的“《中国制造2025》纲要”中提出了“智能制造”的概念，意味着我国急需精通自动控制技术的高端人才。通过建设在线课程的方式以缩短课堂教学时间；利用MATLAB软件进行实验教学，将理论与实际结合起来，改善学习效果；再配合学科竞赛，可以全面提升教学质量，培养出具备一定工程实践能力的学生。

作者简介：杨祖芳，（1981-），女，汉族，湖北荆州人，硕士，武汉工商学院讲师，研究方向：电子线路与嵌入式系统。

参考文献

[1] 刘文定，谢克明.自动控制原理（第三版）[M].北京：电子工业出版社，2013：1-5.

[2] 吴小娟，郝家琪.自动控制原理在线开放课程的探讨[J].教育教学论坛，2018（05）：180-181.

[3] 张园，钟志通，刘淑波，初俊博.“自动控制原理”课程CDIO翻转课堂教学模式[J].电气电子教学学报，2017，39（02）：107-110.

[4] 胡寿松.自动控制原理题海与考研指导（第二版）[M].北京：科学出版社，2013：161-163.

[5] 盛守照，葉冯超，孙臣武.“自动控制原理”实验设计与教学改革思考[J].电气电子教学学报，2017，39（01）：131-134.