“自动控制原理”案例式教学改革实践＊

2021-12-04张贞艳林卿刘美侠

科技与创新 2021年22期

张贞艳，林卿，刘美侠

（宿迁学院机电工程学院，江苏宿迁 223800）

“自动控制原理”是宿迁学院机电工程学院自动化专业必修的专业基础课。随着科技的飞速发展，自动化技术愈发重要。作为自动化的核心课程，“自动控制原理”作用巨大。如何让学生利用有限的学时掌握扎实的基础理论，并能灵活应用于工程实践中，解决工程难题，是课题组的授课目标。学校控制理论课题组积极响应教育部《关于开展新工科研究与实践的通知》精神，不断总结反思教学团队在授课过程中普遍存在的问题，积极探索高等工程教育背景下“自动控制原理”的教学改革新思路，有效变革传统授课模式和培养方法，形成了以“案例式”教学为主要特色的授课模式。

1 课程教学中存在的主要问题

“自动控制原理”面临如下主要难题：①课程层面。“自动控制原理”是对控制系统进行数学抽象，在获得系统的传递函数基础上，进行数学分析来研究实际系统特性的。内容繁多抽象，如不合理穿插代表性的工程案例，将难以体现课程的实践提升作用。②学生层面。在智能手机普及的网络时代，学生整体自我约束力不足，学习兴趣低，课堂专注力差。穿插工程案例，有助于吸引学生的专注力，活跃课堂气氛。③教师层面。照本宣科缺少案例的教学，其理论和实践是脱节的，再多的引导启发也体现不出课程的工程特色。对学校学生调研统计发现，采用传统的授课模式，即使在学完“自动控制原理”后，很多学生仍然茫然困惑，学而不知何用。

2 课程教学的改革措施

为解决以上难题，课题组把“案例式”教学引入“自动控制原理”课程中。具体措施如下。

精选“工程案例”，恰当穿插到课程体系中。例如，数学建模中引入大功率高性能摩托车减震器系统、水箱液位控制系统；时域分析法中引入电动轮椅的速度控制系统、喷气式战斗机的自动驾驶仪横滚控制系统；根轨迹分析法中引入外科手术用激光操作控制系统；频率特性法中引入单闭环有（无）静差调速系统、医学麻醉控制系统；系统校正中引入机器人控制系统、转速电流双闭环调速系统等。在理论教学中融入工程实践，将工程性放在课程首位。

着力打造“自动控制原理”精品课程网络教学平台，形成课堂教学的有效扩充。将选定的工程教学案例，制作成电子课件、微视频，将前沿的最优控制、自适应控制和鲁棒控制等工程应用的视频资源上传至精品课程网站。学生可根据课堂掌握情况，借助这一平台观看视频，开阔视野，巩固提升。

充分借助MATLAB 软件仿真，课程中所有的教学案例都利用MATLAB 软件进行了模拟仿真，这不但能加强学生对软件的利用，还能弥补实验设备上的不足，增加控制系统分析和设计上的说服力。

3 “案例式”教学实施举例

恰当的“工程案例”既能加强学生对理论知识的深入理解，又能使其对实际工程产生兴趣，提高对课程的深入认知。下面以应用于外科手术的激光操作控制系统为例，阐述教学案例实施过程。

以微视频的形式引出手术激光操作控制系统的应用背景。

介绍激光操作控制系统基本构成，定性分析各部分，提炼出系统控制框图，如图1 所示。

图1 激光操作控制系统

提出手术对激光操作控制系统的具体要求：稳定性好、稳态精度高、动态品质优。

图1 中系统中电机励磁时间常数T1=0.1 s，机电时间常数T2=0.2 s；要求学生设计放大器增益Ka，使该控制系统在单位斜坡输入r（t）=At（A=1 mm/s）时的稳态误差小于0.1 mm。

从稳、准、快三方面展开系统分析，求取系统开环传递函数和闭环传递函数。

综上Ka取10，可同时满足稳定性和稳态误差的要求。再次考虑系统动态品质，利用根轨迹分析法，先绘制Ka从0增长到∞时的根轨迹，如图2 所示。

图2 激光操作控制系统根轨迹

该系统有3 条根轨迹，对应图2 中①②③三条曲线，起始于开环极点，终止于无穷远处。

单位阶跃指令下，原系统的动态性能指标近似为：

仿真验证。借助MATLAB 仿真，得原三阶系统、近似二阶系统的单位阶跃、单位斜坡响应分别如图3～图6 所示。

图3 原三阶系统单位阶跃响应

图4 原三阶系统单位斜坡响应

图5 近似二阶系统的单位阶跃响应

图6 近似二阶系统的单位斜坡响应

由图3、图5 可知，在阶跃输入下，激光操作控制系统虽最终能稳定，但其响应高度震荡，动态品质很差。这说明在外科手术中，不能采用阶跃信号作为指令信号。图4、图6 验证了外科手术选用低速斜坡信号作为指令信号，动态品质好。对比原系统和近似系统仿真结果，不难发现二者具有基本相同的输出响应。这进一步帮助学生加深了主导极点的概念，巩固了根据近似低阶系统估算高阶系统性能指标的方法。