基于工程教育专业认证的自动控制原理教学改革研究

张可儿,韩娜妮,赵 莉

（陇东学院电气工程学院，甘肃 庆阳 745000）

我国在2016 年加入《华盛顿协议》组织后，提出了以学生为中心、产出导向（OBE）和持续改进（CQI）三大教育理念，其核心是涵盖应用知识、公民责任和综合能力三大方面的12 条毕业要求，其中，重点要求毕业生具有表达、分析、理解、研究和评价复杂控制系统的能力[1]。

根据工程教育专业认证的要求，我校新制订的自动化人才培养方案注重学生素质的培养，使学生具有基础扎实、专业性强的特点，具有分析问题、解决问题的能力和创新意识，同时注重提高人文科学、法律法规、职业道德素质等修养，使学生能够成为自动化相关领域的高素质专门人才，并具备解决自动控制复杂工程问题的能力。

《自动控制原理》是自动化专业核心课程，是一门理论性较强的工程科学。通过该门课程学习，要求学生掌握自动控制的基本原理，熟练掌握各种理论分析方法；同时通过实验，将理论与实践有机地结合起来，培养学生一定的实际动手能力及解决自动控制复杂工程问题的能力。

目前，关于自动控制原理课程教学改革研究有了较多的研究成果。邢灿华[2]重点研究了提高自动化专业核心课程《自动控制原理》课程目标达成度及课程达成度的方法。在文献[3]中，张萍研究了MATLAB 软件在分析线性系统稳定性中的应用，论证了引入MATLAB 仿真软件的必要性和可靠性。王妍[4]等结合工程教育认证的背景，分析《自动控制原理》课程的特点和存在的问题，通过调整教学大纲和实验课程，建立新的考核模式，提高学生辩证思维能力、解决问题能力和科学研究能力。武晓晶[5]等利用网络教学平台，多方位的研究了《自动控制原理》课程的教学改革。

本文面向工程教育专业认证，针对目前教学中存在的问题，研究了Matlab 软件在自动控制原理课程中在培养学生解决实际工程问题能力方面的应用。充分利用Matlab 软件，不仅能够帮助学生学习、理解理论知识，同时克服实验学习时间和空间的限制，提高学生学习效率，锻炼学生独立思考、解决控制问题的能力。

1 传统教学存在的问题

自动控制原理具有理论性强、概念抽象、知识系统性强的特点，对学生的数学能力要求较高。在传统的理论教学中，教学过程枯燥，学生学习的难度较大，兴趣较低，学习效果不理想。并且现有教材和实际工程实例结合的较少，难以突出自动控制原理在实际工程问题中的应用。

在传统的实验教学中，由于实验设备和课时的限制，大部分的实验只是对理论知识的简单验证，难以进行系统设计等复杂性的实验。

Matlab 软件由于其强大的功能广泛应用于自动控制、数学运算、信号分析、航天工业及语音处理等行业。在自动控制原理课程中引入Matlab 软件具有多个优点。首先，在线下理论学习中，学生可以利用Matlab 进行理论验证学习，提高自主学习的能力；其次，通过软件仿真学习，学生学习理论知识和实验学习可以不受时间和空间的限制；最后，在实验设备有限的情况下，通过软件进行理论验证、系统分析和设计，最大限度的培养学生解决复杂控制系统问题的能力。

2 Matlab 在自动控制原理教学中的应用

2.1 基于Matlab的教学改革

自动控制原理课程课堂教学主要是系统的分析。在讲授系统分析中，重点放在分析方法和原理的理解上，对于根轨迹、Nyquist 及Bode 的复杂图像的绘制可以借助Matlab 进行完成。同时，Matlab 也可以完成实际复杂工程问题的仿真分析。Matlab 软件在实验教学中的作用更加突出，可以突破实验时间和设备的限制，除了完成简单理论的验证问题外，也可以针对复杂实际工程问题进行仿真验证，以提高学生实际动手的能力。

2.2 实例举证

这部分以自动控制系统校正实例说明Matlab仿真软件在本课程理论和实验教学中的应用。例：单位负反馈系统的前向通道传递函数为，设计校正环节使系统的相角裕度大于45°，截止频率大于50rad/s。

本例题涵盖了系统稳定性分析、系统动态性能计算、系统设计等知识点。在学习中，学生需要利用相应的理论知识对系统进行分析和设计，之后利用Matlab 软件可以对理论分析和设计的结果进行验证，如图1 所示。

图1 校正前系统的单位阶跃响应曲线

根据以上分析出，原系统稳定，但其动态性能不符合要求，需要通过加入校正环节进行系统校正。

（2）系统设计

为使系统符合性能指标要求，进行超前校正，如图2 所示。

图2 校正后系统的单位阶跃响应

根据上述验证结果，可以得出，通过加入超前校正网络，系统的动态性能达到要求。

3 结束语

将Matlab 引入到自动控制理论教学中，不仅可以提高课堂教学质量，还打破实验课和理论课分开讲授的界限，最大限度的提高学生的学习效率，以培养学生发现问题、解决问题和自主创新的能力。