《自动控制原理》非标准答案考试方式与方法改革探索

□吴小娟 郝家琪

一、引言

《自动控制原理》是高校自动化类、电气信息类、机械类等专业重要的专业基础理论课程。它是高年级《计算机控制理论》《电机拖动理论》《过程控制理论》等后续课程的重要基础，也是研究生《线性系统理论》《非线性系统理论》《自适应控制》等课程的基础。在工业控制与优化设计中也需要《自动控制原理》的相关原理作为重要的理论依据。

以往《自动控制原理》的期末考试方式一般是出题教师依据教学大纲进行命题，并给出每一题的详细答案和每步解题步骤的评分标准。学生考试完后，任课教师根据标准答案进行批改试卷，并给出学生课程的期末考试成绩。对于这样的标准答案考试，学生的学习方式就固化成了背背公式，做做习题，对问题只知其然却不知其所以然，学生的学习兴趣得不到提升，创新思维被束缚，自然也就无法在考试中考核学生的创新能力。

教学的真正目标应该是培养学生具有独立思考、善于想象和创新的能力。为了改善标准答案考试的不足，培养学生的实践能力和创新创造能力，《自动控制原理》课程非标准答案考试的探索是很必要的。非标准答案考试不是不考试，而是没有标准答案的考试。采用非标准答案考试使学生把更多的精力放在平时的课堂上，而不是应试上面，这样才算是回归教育的初衷，即让学生真正地掌握并理解学科知识，破除“高分低能”的积弊。

针对自动控制原理，本文设计了如下一个非标准答案考试题目及评价方式。设计题目为“燃料电池控制系统设计”，对学生的评价方式包括三部分，一是燃料电池控制系统调研报告；二是燃料电池控制方案设计；三是基于仿真平台的燃料电池控制系统仿真实现。为了考察学生综合运用知识的能力，三部分的占比分别是30%、40%、30%。对学生的评价手段包括但不限于小组展示，小组互评和教师评分。此题目的设计已经从实践中证明了能很好地考核学生的综合分析能力以及实践能力和创新能力。

二、对考试题目设计的简要说明

(一)题目背景。燃料电池是一种发电效率高、环境污染小、比能量高、噪音低及燃料范围广的化学装置。它能把燃料所具有的化学能直接转换成电能。燃料电池早期发展方向集中在军事、航空航天等专业应用以及千瓦级以上的分散式发电和混合发电。目前由于国家政策的引导，电动车领域逐渐成为燃料电池的主要应用方向，市场上已经出现多种以燃料电池作为动力的电动车。此外，通过小型化技术将燃料电池为一般消费电子产品提供电力也成为燃料电池的应用发展方向之一。燃料电池需要在适合的温度和压力下才能正常工作，同时输出用户预设的电压、功率以及电流。为了保障燃料电池系统安全稳定的运行，设计合适的控制策略是至关重要的。

(二)题目要求。第一，学生需查阅资料了解燃料电池的工作原理以及组成，了解被控对象燃料电池的输入量和输出量以及燃料电池控制系统的常用控制方式。第二，学生需要运用自控知识设计控制器、并分析控制系统的稳定性，稳态误差及动态指标。第三，在MATLAB仿真平台上进行仿真，验证设计的控制方案。

三、学生优秀答案

(一)调研报告——固体氧化物燃料电池(SOFC)控制系统调研报告。固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效的、环境友好的发电装置，它工作在中高温，能直接将存储燃料和氧化剂中的化学能转化为电能。不管是采用比较简单的PID控制器还是比较复杂的模型预测控制或滑模控制，其控制目标都主要集中在系统的功率、温度、燃料利用率以及空气过氧比等方面，为了保证SOFC系统能够安全稳定的运行，大量的PID控制器、自适应控制器、模型预测控制器等应用到SOFC领域，实现了对系统燃料利用率、空气过氧比、温度、功率等控制。

(二)控制方案。采用PID控制器实现对燃料电池温度的控制，实现通过对入口燃料流量的控制使得SOFC的出口气体温度稳定在预设值。控制框图如图1、图2、图3。

图1 SOFC温度控制方案框图

图2 SIMULINK 仿真图形

图3 SOFC温度控制仿真结果

(三)学生MATLAB仿真实现及仿真结果。由控制结果可知，系统响应的调节时间比较长，超调量很小，系统稳态误差为0.04。

四、结语

在自动控制原理课程非标准答案考试方法和方式改革中,题目“燃料电池控制系统设计”在实践中证明了能够很好地考核学生在自控原理稳定性判断、控制系统性能指标计算以及系统稳态误差计算等方面的计算，学生加深了对控制器和负反馈等概念的理解，同时也实现了对学生的问题分析能力、编程能力、实践能力、创新能力等综合能力的考核。