自动控制应用设计课程的研究与探索

(天津电子信息职业技术学院,天津 300350)

引言

结合高职类学生在进入大三阶段学习时，普遍存在面临毕业心浮气躁，不能塌下心来学习理论知识的特点，我们将电气自动化专业学生的大三课程大部分都改成了动手为主的课程。结合电机拖动、电力电子技术、自动控制原理、MATLAB和计算机控制技术等多门课程的部分内容，我们首创开发了一门名为自动控制应用设计的兼备综合性和实践性的课程。该课程以动手实践为主体，采用任务导向的教学方法，充分调动学生学习的积极性和主动性。通过完成实际自动控制项目，使学生进一步巩固、深化和整合扩充在电机拖动、自动控制系统、MATLAB、计算机控制技术及其它相关课程方面的基本知识、基本理论和基本技能，达到培养学生独立思考、分析和解决实际问题的能力，并进一步培养其创新能力，提高其动手能力。学生在综合运用所学知识，解决自动化专业方向的实际问题方面得到系统性的训练，培养了其工程实践能力。本课程是和学生将来的工作岗位“微距离”的学习领域。课程的内容从生产实际的角度提出问题，到应用自控理论分析问题，再到设计系统来解决问题，由简入繁，由低到高，环环相扣的进行。

一、 培养目标

高等职业教育是各类教育中与经济发展联系最为紧密的，它培养的是生产和建设第一线的应用性、实用性人才(即具有较强技能的人才)。我们只有注重学生能力的培养，优化高职人才教学培养过程，才能培育出基础扎实、知识面宽、具有创新意识和创新能力、具备一定的工程技术研究与应用能力的自动化专业复合型人才。

通过本课程的学习，学生应该能够实现各种基本技能的整合、迁移，形成更高一级的综合技能，从而能够独立开发小型的自动控制系统，能够在电气工程师的带领下参加大中型自动控制系统的开发。

专业知识方面，我们要求学生掌握自控系统总体方案设计的方法，包括系统的功能确定、控制方案的选择及工艺参数的测量范围确定等内容，能够画出系统总体结构框图；了解按选定的系统方案，确定系统电路形式，选择各参数检测元件及变送器的过程；了解按规定的技术要求，确定系统闭环结构和调节器形式，确定控制算法的过程；了解系统调试、实验或仿真的方法。

素质能力方面，通过分组完成项目任务，培养学生团队协作精神，锻炼学生沟通交流、自我学习的能力。通过项目需求分析与方案论证，培养学生搜集信息、整理信息、发现问题、分析问题和解决问题的能力。通过项目实施、系统调试与答辩，提高学生实践动手能力、观察与创新思维能力、解决问题能力及书面与口头表达能力。实验室实施5S管理理念，从而培养学生形成规范的操作习惯、养成良好的职业行为习惯。

二、 教学内容

本课程根据实际控制工程需求构建系统，以系统建模、系统分析、系统校正为主线，以MATLAB为主要设计分析的工具和手段，应用控制系统的内在控制规律及PID调节规律等基本的分析设计体系。在整个教学过程中，均采用任务向导法，将MATLAB语言、计算机仿真贯穿于自动控制开发构建之中，使学生对控制系统的组成、分析、设计、综合等各个环节及系统概念有全面的认识和理解。着重培养学生独立分析问题和解决问题的能力。教学内容安排融知识传授、能力培养、素质教育于一体。除此之外，充分利用网络资源，实现“把任务带回宿舍，把课堂带回宿舍”的辅助教学模式，使学生将学习重点从课上搬到课下，着重培养学生独立分析问题和解决问题的能力。

具体的说，这门课程需要学生综合运用所学知识完成两个工程项目，需要学生掌握自控系统设计与调试技术，并且需要学生结合以前学过的电路知识、电机与拖动、电力电子技术、自控原理以及MATLAB语言等知识。在设计过程中学生会不断发现问题和提出问题，自己尝试着去寻求问题的答案，探索解决问题的途径和方法，把积累知识的过程变成同时形成能力的过程，在增进知识的同时增进创新精神和创造能力。这两个工程项目分别为直流调速系统的设计与仿真和交流调速系统的设计与仿真。两个模块的学习内容相似，用类比的方法加深加强教学效果。直流调速是基础，交流调速是发展趋势。

1. 直流调速系统的设计与仿真

该学习情境包括三个子项目，分别为直流电机与仿真、开环调速与仿真和直流闭环调速与仿真。其主要内容是根据直流调速系统的组成，掌握该系统的工作原理，并画出控制系统结构图。应用MATLAB及Simlink 进行系统设计仿真。进行相关的参数选择计算，控制系统硬件设计和控制系统集成，包括系统各组成部件的正确连接、模拟部件及传感器工作状态与参数设置、系统反馈通道的连接等。进行控制系统的调整与性能测试，在系统集成的条件下，检查系统性能是否满足给定指标要求，并最后记录相关的性能指标。

2. 交流调速系统的设计与仿真

该学习情境也包括三个子项目，分别为交流电机与仿真、PWM控制与仿真和异步电机矢量控制与仿真，知识内容采用层层递进的方法，逐渐增加难度。其主要内容是根据交流调速系统的组成及功能要求，了解该系统的工作原理，并画出控制系统结构图。根据系统功能要求确定控制方案，控制算法。应用MATLAB及Simlink 仿真。进行控制系统硬件设计和控制系统集成，选择合适的硬件设备并进行相关的参数选择计算，包括系统各组成部件的正确连接、模拟部件及传感器工作状态与参数设置、系统反馈通道的连接等。最后进行控制系统的调整与性能测试，在系统集成的条件下，检查系统性能是否满足给定指标要求，并最后记录相关的性能指标。

三、 教学方法

本课程的实践性很强，与工程实际联系密切，教学过程中要注意实践知识的学习和积累。教学中要特别注意引导学生利用现代技术手段，以保证在学时有限的情况下，完成内容丰富的设计任务。本课程采用任务驱动法组织教学，整班教学与分组教学相结合。模型讲解、分组讨论、课外网上查询等多种教学方法灵活组合，以此能够减轻学生的生理和心理疲劳，充分发挥学生的主体性，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力和探究意识。

在整班教学中，教师首先提供一些相关背景知识及教学资源，帮助学生理解项目功能要求；然后展示调速系统参考模型，将其直观的摆到学生的面前，让学生看的到，摸得找；最后带领同学将模型拆分开来，了解其内部结构，构建方法，找到其中的不足，布置任务让学生去完善。因为有参考模型，拆装和讲解的整个过程能够充分调动学生的学习积极性，给学生留下较深刻的印象。在分组教学中，教师安排一些任务让学生完成，学生通过小组讨论、分工合作或利用网络资源等其他活动来完成任务，教师只在必要时对学生指导和帮助，仅仅起到导游和导演的作用，学生在完成任务的过程中，发挥了自身主体性和主动性，体验了成功的喜悦，满足了表现自我的愿望，学到了原本以为神秘高深的知识。同时需要使用很多自控原理的知识，需要学生进行一些具体的计算，这对高职类的学生来说是一个难点。为了解决难题，要将MATLAB语言应用于本课程的设计中，使得设计中一些繁琐的数学推导和计算得以解决，同时通过仿真，使学生感到本设计简单易学，减少对工程设计的恐惧感，也增加了学生对所学专业的兴趣。

四、 考核方式

对学生学习效果整体评价不仅要关注考核结果，更要关心他们在学习过程中的变化和发展。应将过程评价和结果评价相结合，定性与定量相结合。同时要考虑学生参与教学活动的程度，独立思考的习惯，解决专业问题的能力，自我接受新知识的能力等方面。充分关注学生的个性差异，发挥评价的激励作用。

本课程考核采用日常考核与系统开发作品相结合的方式，其中平时成绩占总分的30%，作品成绩占总分的70%，课程总成绩为百分制，60分以上(包括60分)算合格。

日常考核主要从组织纪律、人际交往、团队协作、环境意识和学习方法几方面综合考核学生。要求学生不能缺勤、迟到、早退；积极参加讨论，主动提问或回答问题，乐于帮助他人有效学习；积极参加讨论，主动提问或回答问题，乐于帮助他人有效学习；保持环境，不损坏公物；积极参加网上讨论活动，主动开展自我学习。

作品考核主要从系统设计能力、系统调试能力、系统功能实现和文字相关材料撰写等四个方面进行考核评分。

考核评分时，每组都要组织讨论组长布置任务的完成情况，每位同学需将自己搜集整理的内容列成提纲，给其他组员讲解，任务完成情况成为考核标准；每组抽选若干名同学做工作汇报，接受提问，具体要求如下：一是报告要清楚，有一定的逻辑性要强，采用PPT辅助讲解；二是回答问题清楚明确；三是态度端正，仪表大方。

五、 总结

经过连续三年面向电气自动化专业毕业班学生的教学实践，我们发现，与原有大三学生的课程相比，新课程自动控制应用设计能够大幅提高学生的学习兴趣。在锻炼学生的综合应用能力基础上，增强了学生的团队意识，培养了学生的创新意识。新课程在教学方面取得了显著的成果，但为了培养更好的适应社会需要的高职人才，此课程还有很长的探索研究之路。

参考文献：

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[3]孙榕泽,王一霖,闫硕,戴慧星.基于虚拟技术的《自动控制原理》课程仿真实验系统[J].科技视界,2013,(02).

[4]范振瑞.MATLAB在高职自动化专业《自动控制原理》课程中的教学应用研究[J].软件,2013,(03).