《自动控制原理与系统》技能培养体系研究

2018-08-06孙素军杜秀芝

滁州职业技术学院学报 2018年2期

关键词：自动控制时域数学模型

孙素军，杜秀芝

（滁州职业技术学院，安徽滁州 239000）

引言

随着生产的发展和科学技术的进步，自动控制原理已广泛地应用于工农业生产、国防、交通运输和宇航等领域，并成为当今倍受重视的高新技术之一。掌握和了解自动控制的基本理论和方法，对从事电气自动化专业的技术人员是很有必要的。

该课程的开设重在使学生掌握与自动控制原理相关的专业知识和综合应用，从而培养在自动控制系统调试与维护方面解决实际问题的能力，更好地完成“地方性技能型高水平大学”建设工作。

一、现状分析

《自动控制原理与系统》是高职院校电气自动化专业的一门重要课程，课程的特点是知识面广、内容多、理论性强、概念相对比较抽象、专业性特征明显，它涉及较多的电路分析和高等数学等学科的基础知识，难以将理论上所描述的系统与各种实际的自动控制系统联系在一起，而且大部分的高职学生数学基础薄弱，出现了教师难教，学生难学的现象，教学效果不够理想。除了与课程本身的课程体系有关，也与学生本身的负面情绪及教师自身的教学方式有关，因此，课程的教学改革势在必行。

二、培养体系研究

针对《自动控制原理与系统》教学中存在的问题，结合滁州职业技术学院以技能培养为重点的培养体系，分别从课程内容、进度安排、教学方法改革及考核方式等方面进行研究。

（一）课程内容

本课程的先修理论课程为《高等数学》、《电路理论基础》、《电机与电气控制》等，课程理论性很强，基础知识要扎实，才能在学习过程中理解所学内容，深入研究，提高实际应用的能力。

根据学校现有的教学设施，设计相关的课程内容时，尽量选用学生较为熟悉的控制系统，并强化仿真软件的使用能力，所以选用王超主编的《自动控制原理与系统》作为教材，王艳红主编的《自动控制原理》作为参考教材，主要包括以下几个方面内容：

1、自动控制系统概述：明确自动控制的基本概念、基本原理及分类；掌握对自动控制性能的基本要求。

2、拉普拉斯变换及应用：掌握拉氏变换的概念和运算定理；拉氏反变换的方法及在解微分方程时的应用。

3、自动控制系统的数学模型：明确控制系统数学模型的概念及作用；了解控制系统数学模型的种类；掌握实际控制系统数学模型的建立方法。

4、控制系统的性能分析：明确控制系统的时域性能指标；掌握时域分析系统性能的方法和步骤；了解频率特性的概念及典型环节频率特性的特点，明确时域性能指标和频性能指标的关系，

5、控制系统的校正：明确校正的概念和作用；掌握基本校正方式及常用校正装置的特性。

其中，前面两部分以理论内容为主，在学习的过程中可以通过实际的控制系统（如炉温控制系统）来介绍相关知识，使学生更容易接受。后三章在上理论课的同时，借助多媒体设备及计算机房进行虚拟实验，通过实验模型的搭建、调试和分析，使学生深入了解控制系统设计思路、调试过程和性能分析，从而提高他们的实践能力。

主要的实验内容如下：

1、搭建速度控制系统的数学模型（如图1）：了解速度控制系统的工作原理，分析各部件的微分方程，使学生具备实际控制系统微分方程和传递函数两种数学模型的建立能力。

2、某电压测量系统（如图2）的时域分析：了解电压测量系统的原理，搭建数学模型，并分析系统的时域性能，使学生具备采用时域分析法对实际系统的性能进行分析的综合能力。

3、某电压测量系统的频域分析：搭建其数学模型，并对其进行频域分析，使学生具备采用频域分析法对实际系统的性能进行分析的综合能力。

4、某单位负反馈系统的校正：了解各种校正方式的特点，使学生能根据所学的系统校正设计方法，选择合适的校正装置，并校验校正后的系统性能是否满足要求。

5、综合性实验-过山车车速的控制的系统设计：使学生能将所学知识用于实际控制系统中。

图1 直流电机速度控制系统

图2 电压测量系统

综上，本课程的教学内容设定的目标主要有：一是使学生掌握控制系统的工作原理及模型的搭建方法；二是使学生了解系统的时域性能指标和频域分析的方法，根据搭建的数学模型来分析系统性能的好坏；三是若系统的性能指标不能满足要求，会选用合适的校正装置进行校正。

（二）进度安排

滁州职业技术学院电气自动化专业2016级的培养计划中，课时安排为54课时，理论课30学时，实验课24学时，课程进度根据学生对所学知识的掌握程度，由浅入深，逐渐深入。进度安排如下图：

图3 课程进度

第一部分完成对自动控制基本概念方面的了解，为后面更深入的学习打好基础；第二部分是自动控制原理学习的数学基础，为时域、复域和频域之间的转换做铺垫；第三部分时域、复域各种数学模型的搭建，第四部分在模型搭建的基础上分析控制系统的系能，难度增强，可提高学生分析问题和解决问题的能力；第五部分通过对实际控制系统的校正，进一步提高解决实际问题的能力。

（三）教学方法改革

本课程的理论性很强，为突出课程的实践性和职业性，本课程倡导教学方法的多样化。力图通过教师、学生和企业兼职教师密切配合，综合运用各种方法共同完成学习目标与任务。本课程主要采用理论与虚拟实验一体的方法，辅助采用案例教学、企业参观等方法。

1、虚拟实验

在教学过程中以学生为主体，教师扮“引路人”的角色，通过引导、小组讨论和总结，锻炼学生自主学习的能力。根据不同企业生产需要，选定一些自动控制系统作为学习项目，让学生独立完成自动控制系统分析的整个过程，并用MATLAB软件搭建模型，来分析各个参数对其性能的影响。培养学生对自动生产线操作工应有的技能。在课程（工作过程）的每个阶段，制定具体任务，使学生根据指定的要求设计不同的方案，并挑选出最佳方案实现系统的优化。

2、案例教学

在课堂引入大量的案例进行教学，使学生对自动控制原理在自动控制系统中的作用有充分的了解。

3、企业参观

可带领自动化专业学生到滁州附近相关企业参观，了解自动生产线流程、应用环境、企业文化，拓展学生知识面。

4、多样化的教学手段

在教学中加入实物认知环节，控制系统的仿真模拟及信息化教学手段，使学生学习场所可以延伸到宿舍、公园和图书馆等。课程教学也可通过网络平台来实现，教师和学生可随时沟通、探讨，增强学生的学习兴趣。

（四）评价体系

有效的教学质量评价体系是教学体系的重要组成部分，以能力培养目标为评价指标的核心，对学生教学质量进行准确合理的综合评价。在课程的成绩评价中，设置30%的比例作为平时考核，由出勤、作业、课上互动、课下答疑综合构成，评价学生的创新精神、科学精神、科学表达能力等。期末考核占30%，除了基本概念、基本理论的考试内容外，适当设置一些能够考核学生分析能力、综合运用能力的题目。实验教学单独设置学分，综合培养学生的动手、创新能力，将实验考核的比重设置为40%。