应用型本科自动控制原理课程教学探析

翟玉晓　刘越　杨鸿　张瑞明　王璐凡

关键词：自动控制原理；教学方法；课程特点；应用型本科；适应性

中图分类号：G642 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）36-0121-03

1 引言

自动控制原理作为自动化专业的专业基础课，要求学生要有相应的控制思想，熟练掌握分析和校正系统的方法和手段，以便设计合适的控制器对系统进行精准的控制。

因为自动控制原理所阐述的方法不是只针对一个系统或一类系统，而是只要满足单输入单输出的线性定常系统都可以用自动控制原理中所讲的方法进行分析和校正。所以本门课程所涉及的系统非常之多，无法简单地列举一两个系统来代替所有系统的特点。正因如此，课程中好多公式定理都是以一般形式给出的，这些公式比较长，公式推导起来非常复杂，涉及高等数学和复变函数的内容较多。再加上学生数学功底不扎实，所以在学习过程中就感觉本门课程的内容比较抽象、晦涩、难懂[1-2]。

除此之外，在日常教学环节中，课堂大多采用灌输式的教学手段[3]。教师经常直接告诉学生影响系统性能的因素是什么，如何对其进行调整，而忽略了学生自我探索和验证的过程[4]。这就出现了学生因考试而学，死记硬背，考完便弃的现象。

综合上述情况，本文对自动控制原理的教学方法进行了探析。在保留原有教学方法中优秀部分的基础之上，增加了实例讲解和理论实验结合部分，用以增强该课程的适应性，使其符合应用型本科对于学生的培养要求。

2 课程特点和教学现状

2.1 课程特点

自动控制原理主要介绍了时域法、根轨迹法和频域法这三种分析和校正系统的方法。在介绍这三种方法时，会涉及高等数学、复变函数和电路等课程的相关知识。这就需要学生在进行数学建模和公式推导时，要有扎实的数学功底、良好的知识迁移能力和较高的综合应用能力。以上三种方法分别在时域、根轨迹和频域内对系统性能进行讨论，三者既相互独立又相互支撑。学生在学习时需要在三个分析域内精准灵活地转换，特别是复域向频域的转换，其难度较大，学生学习起来感觉比较吃力。

以上这些因素构成了自动控制原理这门课程的特点。正因为这些特点也导致了本门课程教学难度大，学生接受不太理想的情况。

2.2 教学现状

2.2.1 讲授式教学

自动控制原理这门课程概念抽象，推导公式众多，课程容量大。因此，在日常教学中，教师常常运用直接讲解的方法对本门课程进行教授。这样做的好处在于，可以紧跟课程进度，做到每一个知识点的全面覆盖。但是随之而来的却是学生对本门课程学习兴趣的下降，以及學生对相关的理论知识缺乏思考、探索和讨论[5]。

2.2.2 实际案例引入较少

自动控制原理这门课程最终需要解决的两个问题：系统的分析和系统的校正。因此，无论是时域法，根轨迹法还是频域法都是围绕这两个问题展开的。这些方法的讲授大多都是借助数学方法进行推导。这就给学生造成了一种错觉，好像自动控制原理一直在讲数学公式的推导，跟企业的生产和设备的控制好像没有多大联系。学生仅仅只是学习了分析和校正系统的方法而已，但如何应用到实际系统之中，却无从下手。

造成这一现象的原因是教学过程中只是就理论而讲理论，没有结合具体的案例。学生不知道所学的理论知识如何应用于系统，如何改善系统的性能。

2.2.3 实验教学所占比例不大

三种分析和校正系统的方法最终的落脚点在系统稳定性、准确性和快速性上面。其目的主要是系统能够按照控制要求平稳顺利地运行。

这样就需要学生分析并设计出符合控制要求的控制器。而控制器的分析和设计中，最重要的一步就是仿真验证。自动控制原理教学过程中，往往是理论多于实践。常做的一些实验也是验证性的实验，且实验占比较少。学生很难通过实验的方法去探索系统结构和参数的改变对整个系统性能的影响。进而无法全面深入地了解自动控制原理中所讲的一些理论和方法。

3 改革思路探讨

3.1 授课形式的多样化

在授课形式上应新旧结合。既要看到新型授课方式的好处，又要结合旧授课方式的优点，做到合理搭配。针对自动控制原理这门课程的课程特点，建议采用多媒体和板书并重的方式进行[1， 6]。

其中多媒体可以非常形象地展示整个控制过程。学生可以直观地了解每一部分所起的作用。而板书恰好弥补了多媒体播放速度快和简略公式推导过程的不足。在重要的公式讲解上，用板书的形式，逐步进行推导，可以让学生从根本上了解定理和结论的来源，同时也便于学生进一步地研究和拓展。

3.2 案例和理论教学并行

线性定常系统无法用某一个具体的系统来代替。因为具体的某个系统无法穷尽线性定常系统的所有特征。这就导致整个自动控制原理看起来主要在讲理论方法和公式推导。

但是单纯的讲解理论方法，需要学生具备良好的抽象思维能力。结合本校学生的学情，学生显然做不到这一点。因此，在讲解理论方法时，需要结合与之相对应的例子进行。例如对于自动化和电气工程及其自动化专业的学生可以结合RC、RLC、电机、电桥和受力分析等先前专业知识进行讲解[7]。以大家熟悉的某些电路作为研究对象，对其进行分析，然后设计出与控制要求相匹配的控制器。这样既可以帮助学生理解所学的理论方法，还可以培养学生的创新能力和解决实际控制问题的能力。

3.3 实验和教学相结合

自动控制原理这门课程的讲授过程中，往往着重于理论知识的讲解。而实验的作用也仅仅是为了验证课程中理论的正确性。在这一教学过程中，实验并未发挥出它应有的辅助和指导作用。

Matlab作为一款强大的仿真软件，常常被用在各种系统的仿真分析中[8， 9]。针对上述问题，可以将日常理论和Matlab仿真结合起来进行教学。这样对于某些知识点，教师可以预先给予引导，然后提出相应的问题，最后由学生通过仿真实验来得出相应的结论。比如二阶系统分析中，ζ的不同取值对系统输出响应的影响和欠阻尼二阶系统ζ的大小对系统稳定性和快速性的影响，就可以运用实验仿真的方法由学生自己探索。

如下利用Simulink搭建了几个二阶系统，其结构如图1所示。通过改变ζ的取值，可以得到二阶系统在不同阻尼比ζ下的输出响应。具体影响如图2所示。以同样的方法搭建了一个欠阻尼二阶系统，其结构如图3所示。通过该系统可以研究在欠阻尼情况下，ζ的大小对二阶系统的影响。具体影响如图4 所示。

其中，图2从上至下，其ζ取值分别为-0.1、0、0.5、1和2；图4从上至下，其ζ取值分别为0.1、0.3、0.5、0.7 和0.9。在图2中，通过对比可以发现，随着ζ从负到正，由小到大，二阶系统从发散逐步变为稳定。从图4 中可以看出，随着ζ在（0， 1）内由小逐渐变大时，系统稳定性在逐渐变好，系统快速性在逐步变差。

对于二阶系统的分析，教师只需要讲解二阶系统的结构和相应的参数。而把参数ζ是如何改变系统性能的问题，以仿真的形式让学生自己去探索。通过实验的对比，让学生自己得到相关问题的结论。在这一过程中，还可以培养学生相互协作的能力。

除此之外，根轨迹分析法和频域分析法，都是建立在绘图基础之上的分析方法。而Matlab恰恰擁有强大的绘图能力，学生可以借助Matlab实现根轨迹图、Nyquist图和Bode图的绘制，以此展开对系统的分析[10]。同时，对于控制器的设计和系统的校正问题。学生也可以借助Matlab，设计出符合实际工程需要的控制器，使其满足实际工程的需要。

4 效果与反思

在之后自动控制原理的教学过程中，通过对以上三种方法的交叉应用，可以明显看出学生对于课程的参与度在增加。学生会紧跟教师的思路，会跟老师探讨自动控制原理相关的知识点，提出自己的疑问，说出自己的看法。因为有学生自己熟悉的案例，课本上分析和校正系统的方法不再是冷冰冰的条条框框，学生会主动学着去运用它们解决一些控制问题。同时，以实验作为手段，带着问题去探索，通过对比得出相应的结论，这样更利于学生对知识点的掌握。在这一过程中，还可以培养学生独立思考，相互协作的能力。

5 结论

本文通过对自动化专业开设的自动控制原理课程的简要介绍，剖析了本校在此门课程的日常教学过程中出现的不足，结合本校应用型本科学生的培养要求，对自动控制原理这门课程进行了教学探析。以多媒体与板书并重、案例与理论教学并行和实验与教学相结合的教学形式，取代以往的理论教学为主的填鸭式的教学方式。所提方法本着以学生为中心的原则，志在培养学生的探索能力、创新能力和协作能力。使学生不但要理解所讲内容而且会灵活应用所学内容。