《Principle of Automatic Control》留学生课程案例式教学研究

（上海海洋大学工程学院 上海 201306）

随着“一带一路”倡议及其它国家战略的推进和各高校对国际化办学更加重视，越来越多的学生到我国留学。以上海海洋大学为例，近年来留学生来源国明显增加，其学习基础也有较大的差别。《Principle of Automatic Control》是工程类专业一门重要的专业基础课，针对现有留学生来自于欧美、日韩、东南亚、南亚、非洲等国家和地区，其知识基础、语言水平等方面存在较大差别的现状，设计案例式教学方法，采用“案例-理论-案例”的总体架构，降低入门难度，并着力满足不同专业的个性化需求。

1 工程类留学生控制理论课程授课特点分析

控制理论在工程类专业知识体系架构中处于重要地位，其在数学、物理、化学之上，与力学、电学、图学等处于同一层级。传统控制理论的学习把主要精力配置于理论推导、模型分析等，导致不少学生“深入”而不能“浅出”，理论与实际对接不够，虽然考核能够高分通过，但没有真正有机纳入自己的知识体系。特别是对于留学生课程来说，由于所面对学生基础差别大，语言表达存在困难，导致相关学习更加困难。基于这一问题，改革授课内容与方法，以案例式教学为主要架构贯穿前后，中间理论推导借助仿真软件，真正把学生的注意点放到控制理论的本质上，在“理解”基础上自然的“吸收”。

2 课程分层案例授课结构设计

《Principle of Automatic Control》课程大体上分为绪论、建模及简化、性能分析、稳定性、校正，以及后续的其他部分内容。绪论为导入性内容，案例1从第一次工业革命中蒸汽机中离心球速度控制机构开始讲起，包括通过皮带轮将速度引出，带动小球离心转动，离心球离心力带动滑块的滑动，滑块进一步带动杠杆运动，杠杆带动蒸汽阀门。这一案例可以讲明机械化时代的自动控制代表性实现形式。案例2从第二次工业革命中基于热电偶的温度控制案例讲起，包括通过热电偶将温度引出，以电压的形式通过放大器后传给电桥，电桥进一步放大电压后驱动电机，电机控制燃气阀门，形成对温度的控制。这一案例可以讲明电气化时代的自动控制代表性实现形式。

建模部分重点以直流电机为例进行讲解。电机的建模包含了机械和电气两部分，特别是反电势和电机输出角速度成正比，电机扭矩和电流成正比。反电动常数和电磁力矩常数两个量的讲解使得学生能够很好的理解什么是建模，对于建模的含义加深了理解，进一步了解了工程和科学的区别。通过本例，对线性系统增量方程进行了深入的讲解，使得学生真正理解线性控制是基于平衡点的稳定性控制，虽然增量方程模型和线性方程建模的方程看起来相同，但其完全有不同的意义，这一点对学生讲透将是学生学习过程中一次有力突破，为后面系统性能分析和稳定性判定部分的学习打下坚实的基础。

系统性能分析主要从代数的角度进行，在前面两章案例的基础上已比较好理解，借助Matlab软件可以非常方便的获得相关结果。稳定性分析这一部分学习的基础是弄清楚什么是稳定。通过液压位置随动系统案例的讲解可以很清晰的了解什么叫做振荡收敛这一控制的最基本形式，这一案例同时也可以深刻地反映出什么叫做反馈。本案例结合第二章电机建模案例中的增量方程，进一步展示了随动系统中的平衡点控制的工作原理，两个案例的比较显示了随动系统为平衡点连续变化的更为复杂一步的控制系统。

性能校正是控制理论基础学习的重要目标，是获得所需要性能的必要工作。校正需要引入系统新的环节以改变系统的相对稳定性。采用RC模拟电路作为相位、幅值改变环节进行系统分析和校正，获得所期许的性能指标。第二次工业革命后自动控制中模拟控制电路是主要形式，选择RC模拟电路作为校正环节容易与相关控制关联，使得同学更好理解。

3 科研成果综合性案例在课程中的应用

前述五个案例为主的课程教学已经可以把课本内容较好的串起，大大减小了课程内容抽象化，再结合仿真软件辅助教学，使得学生的精力可以集中在关键环节上进行理解，有效提升了教学效果。虽然如此，学生反映所学控制理论似乎与现实控制还有一定的距离，特别是信息化时代下的自动控制应该怎么样去理解。

为解决这一问题，课程中引入了作者在科研项目中所研发的基于卫星定位的双体式自主导航投饵船，如图1所示。通过对本自主导航船的运动模型构建、PID控制参数调试、基于遗传算法优化的控制系统性能评估和提升等，从建模、性能分析、稳定性、校正等不同的层面和学生一起进行一一对应，使得同学逐渐了解了控制系统的灵活性。基于这一案例，还和学生探讨了大风环境下的干扰问题，进一步讲解了抗干扰设计。

图1：双体式无人自主导航投饵船

无人导航船案例的加入补充了第三次工业革命后在集成电路加持下的自动控制的实现形式，特别是与人工智能的结合，学生已可以理解无人驾驶汽车等正在发展中自动控制系统的设计，这一点对于学生联系实际至关重要，也便于和后续课程的关联。

4 结论

针对留学生生源来源范围广，差距大的特点，采用五个基本案例和一个综合案例组成《Principle of Automatic Control》案例教学体系。通过案例教学，图形化和仿真软件的教学形式降低了学生的语言要求。通过案例教学，特别是第一次工业革命中的机械化控制案例、第二次工业革命中的电气化控制案例、第三次工业革命中的信息化控制案例，使得学生能够更好的站在人类发展的角度来理解什么是自动化控制及如何实现。

实际授课效果表明，在由日本、巴基斯坦、西非等多个国家学生组成的班上，通过基本案例引入、基于仿真软件的理论分析、综合案例落脚的总体架构，弱化了学生对于理论知识的畏惧感，于有趣的分析中了解了为什么这么做，取得了很好的效果。特别是对综合性案例中所提出的基于人工智能的控制系统优化，使得学生展开了想象的空间，提高了学生的兴趣，取得了很好的授课效果。