“虚实结合”的自动控制原理教学方式研究

樊慧丽 孙学东

浙江万里学院 浙江宁波 315100

自动控制原理是工科院校电气类专业最主要的专业必修课，课程是以分析控制系统性能为基础，进而根据性能要求进行系统设计的学科，是学习后续专业课的重要基础，而且许多高校相关专业都把本课程作为考研专业课，因此如何教好并让学生学好这门课程非常重要。自动控制原理课程的特点是理论性强、概念抽象、数学分析贯穿始终，课程中的三大分析方法本质上都是“分析+图解”，分析过程依靠逐步试探和调整，计算工作量非常大；另外手工绘图方法不但烦琐而且也不精确。理论烦琐和内容枯燥使教师教起来困难，学生也缺乏学习兴趣。Matlab是美国Math Works公司在20世纪80年代推出的高性能数值计算软件，后来经完善扩充可进行各种科学与工程技术计算，成为自动控制理论、数字信号处理等课程的基本数学工具。课程组在教学过程中不断对教学内容进行整合优化，在理论教学过程中融入Matlab仿真教学，这不仅增强了分析过程和分析结果的可视性，也让抽象的理论变得直观易懂；另外为了突出控制理论的工程背景，提高学生的工程实践能力，课程组结合实验室引进的控制与自动化专业培训系统(CATS)，创建了包含多任务的综合项目，让学生带着真实的任务去学习。

1 理论教学与Matlab仿真的协调融合—“虚”

自动控制原理主要讲述经典控制理论，包括系统的数学模型以及3种典型的系统分析和设计等内容。鉴于Matlab软件的强大功能，以往在理论教学结束后，针对课程的特点开设了“Matlab控制系统仿真”实践课，通过虚拟仿真加深学生对理论知识的理解，但在教学实践中发现学生往往把它们作为两门独立的课程来学，教学效果不是很好。若能在整个理论教学过程中融入Matlab仿真教学，将二者合理有机结合在一起，就可以通过仿真演示让抽象的理论变得直观易懂，让学生容易接受进而产生兴趣。于是在教学中对课程教学内容进行精选调整，并对课程教学方案和学生评价体系等诸多方面进行改革。

对理论分析方法减少复杂的数学推导和证明，如求解微分方程时，可借助Matlab命令Laplace和ilaplace很快完成拉氏变换和拉氏反变换；还有高阶系统的分析往往比较复杂，其动态响应在工程中常采用主导极点的概念进行简化分析，主导极点概念讲解起来比较复杂抽象，可借助Matlab软件做出高阶和降阶后的两种系统阶跃响应曲线，然后对照曲线进行对比分析，复杂抽象的概念便很容易理解了。根轨迹法和频域分析法是分析和设计线性定常控制系统的图解方法，在工程实践中广泛应用，学习这两种分析方法的目的是借助图形对系统进行分析，但在传统教学中要花大量课时讲解根轨迹和频率特性的绘制方法，绘制方法难以记忆且证明复杂，课改后对这两种图形的手工绘制方法只做简单介绍，要求学生掌握由Matlab软件快捷准确绘制出图形的方法，并把教学重心向系统的分析和性能比较上倾斜。

由Matlab中的margin命令做出频率特性曲线，相角裕度和幅值裕度等开环性能指标会自动计算出来，只要能在图上对应的把它们读出即可，然后根据对数频率稳定判据进行稳定性判断，操作方法简便快捷、直观形象。此系统还需要加校正环节，只需在Matlab命令窗口键入sisotool命令，在新出现的窗口中导入系统传递函数，即可绘制出系统校正前后的bode图和根轨迹(如图1所示)，校正前后的系统性能指标可方便求出，并能直观快速地对校正前后系统的性能进行对比分析，校正前的频率特性(如图1a所示)，系统的相角裕度为负值，根据频域稳定判据可判断系统不稳定；加入校正环节后的频率特性(如图1b所示)，系统传递函数添加了一个零点和一个极点，校正后系统稳定，校正前后系统性能一目了然。这是一个综合性很强的题，包含了频率分析法的很多知识点，求解过程若采用传统的教学方法，绘制图形耗时耗力，且计算复杂。

图1 系统校正前后的根轨迹和bode图

2 项目任务驱动教学方法—“实”

虚拟的仿真有它的优点，但自动控制原理是源于实际工程的理论课，对实际控制系统的分析和设计则能培养学生的实践能力，掌握工程化的设计过程，能将自动控制原理与方法转换为工程实用技术。实验室引进的控制与自动化专业培训系统(CATS)，通过软总线LabMap对Matlab/Simulink的接口进行扩展，使CATS实验设备像实际工业应用一样在联网试验中进行测试分析，在仿真模式下实时控制硬件，将理论教学与实践教学融为一体。例如结合CATS设备，根据理论控制框图设计的闭环控制(如图2所示)，通过对控制器的设计，学生可以亲身体会到不同控制参数对系统性能的影响。通过在实际工业组件设备上进行实践操作，对所学理论知识有更加深入的理解和体会，更有效地提升学习兴趣，锻炼其工程实践能力。

图2 结合CATS实验设备系统控制框图

传统的教学方式将理论和实践分开教学，且多数是按照实验指导书步骤去做，验证性实验比较多。本次课改中，我们将理论、仿真和实践有机融合在一起，为了引导学生积极进行实践学习活动，采用任务驱动的教学模式，在教学过程中结合CATS实验设备，精心设计了直流电机综合实训项目，该综合项目包含四大任务，项目具体任务见表1，与理论讲授知识点一一对应，项目涵盖了整个自动控制原理基本分析方法和设计、校正等知识点，这种探究式教学模式将理论与实践有机融为一体，让学生带着任务去学习、去实践。在任务实施过程中不仅调动了学生的实验操作积极性，而且在每个任务完成后均能掌握相应的理论知识。教师根据任务的完成情况，对学生的过程学习做出评价，任务驱动教学方法使学生平时学习量增加，所以可以相应减少期末成绩占总评成绩的比重，逐渐改变以考试为主的教育模式。

表1 任务驱动法中的四大任务

3 结束语

在传统教学手段的基础上，充分将虚实结合的教学方法应用在本课程的教学中。Matlab软件作为分析工具贯穿在整个教学中，仿真结果直观形象，使抽象的理论知识简单化，既增强了学生的学习兴趣，也在学习基本理论的同时能熟练掌握Matlab分析设计系统的技能。另外理论教学和实践操作有机结合，摒弃教师满堂灌输的授课方式，让学生在学中做、做中学的过程中掌握自动控制原理的基本理论。实际项目任务驱动了学生的学习积极性和主动性，同时又能让学生掌握经典控制的基本理论。课改后的自动控制原理教学内容不再枯燥，以生为本，教学形式多样化，为今后的实际工程应用打好了基础。当今科学技术迅猛发展，为了进一步提高教学质量，还需要我们不断改进教学方法，探索新的教学模式。

[1]胡寿松.自动控制原理简明教程[M],北京:科学出版社,2008.

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