关于自动控制原理教学的几点思考
赵环宇
[摘 要]自动控制原理是电气信息类，尤其是自动化专业高年级本科生的专业基础课。教师可以根据近几年的自动控制原理教学经验及学校该课程的教学特点，对自动控制原理的教学内容、教学方法、考核方式等方面进行相应改革。
[关键词]自动控制原理；教学内容；考核方式
[中图分类号] H319 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）12-0148-03
自动控制原理是电气信息类，尤其是自动化专业高年级本科生的专业基础课。该课程既包含深入的理论知识，又密切联系实践，具有很强的实践性。这门课可以很好地指导学生的工程实践，为学生以后从事自动化相关专业打下良好的基础，还可以培养学生辩证的思维方法，提高学生综合分析和解决问题的能力。[1][2]因此，教好这门课具有重要的理论和实践意义。学校开设自动控制原理这门课已有多年历史，而笔者从事自动控制原理的教学工作3年有余，现就本校该门课程的教学特点及笔者几年的教学经验，提出几条浅薄建议。
一、教学内容的安排
自动控制原理的教材很多，我们主要使用胡寿松主编的《自动控制原理》第六版，一个学期48学时，其中理论40学时，实验8个学时。由于只有40个理论学时，课堂主要讲解第一章到第八章内容。
第一章和第二章是该课程的基础部分。通常讲解较慢，尤其是第二章控制系统的数学模型。第一章和第二章讲完，在学生对这门课程的理论体系、整本书的结构安排有了足够的了解后，再让学生做好相关数学知识的复习工作，后面章节虽然有难度，但学生理解起来也会相对轻松。前两章学生学好了，这门课就算入门了。
第三章是线性系统的时域分析法。本章是基础且重要的一章，但由于学生已经具备了一、二阶电路响应的知识，本章内容理解起来相对容易。几个重要的时域指标，调节时间、峰值时间、延迟时间、最大超调量等要求学生熟练记住。一、二阶系统较为直观，容易掌握，对于高阶系统没有固定的类似于一、二阶系统的解析方法，但可以利用Matlab软件来计算分析，要求学生掌握借助Matlab这一软件分析高阶系统时间域响应的方法。本章另一重点就是系统的代数稳定性判据，即劳斯判据。
第四章是根轨迹法。根轨迹可以直观地反映系统特征根的分布情况，但手工绘制精确根轨迹并非易事。本章主要要求学生掌握根轨迹的基本概念和绘制根轨迹的8条规则，以及如何利用Matlab来绘制根轨迹。
第五章是线性系统频域分析法。频域分析法主要通过Nyquist图、Bode图、Nichols曲线三种图形给出了线性系统频率特性的几何表示方法，同时给出了线性系统稳定的频率域判别方法。频率域方法较为直观，但Nyquist图画起来比较复杂，难以画得准确；对于一些具有典型特征的系统，如含有惯性环节的系统就较为容易；对于含有多种不同环节的系统则不太容易画出准确的图形。这部分内容仍然应要求学生掌握基本概念、基本方法，会用基本方法解决较为简单的题型。对于较为复杂的题型，则应掌握利用Matlab方法。Bode图相对Nyquist图能够较为准确地绘制，所以适合进行系统的分析与设计。一般介绍在Bode图上进行系统校正。Bode图上虽也可以进行系统稳定性分析且看起来简单，但对于稍微复杂的对象尤其是非最小相位系统来说比较复杂，学生难以准确掌握，这部分内容应该少讲。Nichols曲线虽容易分析系统闭环频率特性指标，但由于Nichols曲线的复杂性，现在应用较少，故自动控制原理中，Nichols曲线可不讲。
第六章是线性系统的校正方法。本章内容为经典控制理论的核心内容之一。这一章将涉及控制理论的具体应用。系统校正方法较多，但目前课上主要介绍基于Bode图的串联校正，其余方法基本不作介绍。在有限的学时内应重点介绍串联校正方法，包括超前校正、滞后校正、滞后超前校正。这三种串联校正实质上分别对应PI，PD和PID调节器，在讲授过程中要讲清楚它们之间的联系，以及各种校正方法的实现，它们各自所起的作用，何时该用何种校正方法。除此之外，应适当讲解实际工程例子，让学生切身体会到PID控制器在工程中的实际应用，也为学生后面从事控制理论研究打下良好的基础。
第七章是离散时间控制系统。实际的控制系统大部分属于离散时间控制系统。因此，离散时间控制系统这部分内容需要重点介绍。Z变换是处理本章内容的主要数学工具。讲清楚如何由Laplace变换得到Z变换，讲清楚二者之间的变换关系，便容易掌握Z变换。掌握了Z变换方法，再去讲解差分方程及其求解方法就会容易很多。离散系统虽自成体系，尤其自身的一套分析方法，但与连续系统之间的联系亦应适当介绍，这有助于学生利用已掌握的连续系统分析方法去相应地解决离散时间系统的相关问题。
第八章是非线性控制系统。在有限学时内，这部分内容主要介绍几种典型的非线性因素，以及描述函数法。由于相平面法较为复杂，对学生数学基础要求较高，这部分内容可供考研学生选学。
总之，在讲授自动控制原理这门课程时，内容上应不时地作适当的优化，应根据实际情况，对于不同的专业方向，根据其特点和要求，分别进行不同侧重点的内容安排。在学时允许的情况下，除了介绍基本概念和基本方法之外，还应结合习题、实物仿真和教师科研项目中的具体应用进行实际演练，使学生能够真正掌握本课程的实质和应用。
二、教学方法改革
由于知识体系的变化及学生知识结构变化，在讲授自动控制原理这门课时，教师的教学方法也应根据实际情况作适当调整，根据一些文献所述及笔者体会，可以尝试使用下面一些有别于传统的教学方式。
（一）项目式教学方法
这种方法虽早有文献报道，但实施起来有一定难度。对于现在学生的学习状况，也难保证效果。文献[3]中提到的项目式教学方法是基于工作过程的一种探究式教学方法，由教师将所要学习的新知识隐含在一个或几个基于工作过程为导向的项目之中，让学生通过自己对工作过程的项目进行分析、讨论、明确工作过程的项目大体涉及哪些知识，在教师的指导和帮助下找出解决问题的方法，最后通过项目的完成而实现对所学知识的应用。用项目对能力进行反复实训，课程教学实现一体化设计。如此，将实现与传统教学方法不同的三个转变，即以教师为中心转变为以学生为中心，从以课本为中心转变为以项目为中心，从以课堂为中心转变为以工作过程为中心。这种方法在实施过程中，对学生进行分组还可以培养学生的团队协作能力。在现在还是以考试为主要考核方式的情况下，这种方法可以作为一种辅助教学方法，在部分章节的教学中使用。比如，控制系统校正部分，这部分相对前面几章较难，可以给学生布置一个工程背景较强的综合应用题，让学生分组去完成。这样不仅可以调动学生的学习兴趣，还可以让学生把本课程核心内容掌握牢固。
（二）启发—引导式课堂教学
这种方法主要从如何激发学生学习兴趣，启发学生提出问题、思考问题，引导学生如何解决问题入手，让学生轻松愉快地掌握知识。[4]这样学生不仅不会觉得理论知识枯燥无味，还会变得热爱这门课程。比如，在讲解自动控制装置的时候，不同的教材有不同的例子。我们在讲解时选用的是炉温控制系统。自动控制系统的核心是反馈控制。如何让学生理解反馈的含义至关重要。我们先给出一幅人工控制炉温的图，让学生试着回答工作过程。然后，提出问题：如果将人所做的工作换成自动控制装置，需要如何设计这个装置？这个过程中可以提出反馈的机理。将自动控制炉温控制原理图给出来的时候，学生将自然明白反馈的基本原理。
（三）实验教学
自动控制原理是一门有一定理论深度，又注重实践的课程。实验教学是学好这门课程不可缺少的一种教学方法。这门课程实验主要包括在实验箱上对一些典型环节进行模拟和Matlab仿真两部分。目前本校实验主要是对基本原理的验证，即验证性实验。这类实验本身对学生不具有吸引力，加之实验设备容易损坏，经常不能顺利完成实验，明显不利于培养学生的设计、创新和工程实践能力。所以该门课程的实验教学需要改革。除了基础性验证实验之外，还应增加一些创新性实验内容。如模拟PID闭环温度控制系统的设计与实现、倒立摆的PID控制器设计与仿真、单回路液位自动控制系统设计与仿真等。另外，教师还可以指导学生上网查询相关文献，分组进行选择创新实验内容。这部分实验不仅可以培养学生的学习兴趣，也可以提高学生利用所学知识解决实际问题的能力。
Matlab软件作为新型编程语言和可视化工具，有着其他软件不能比拟的优势。近年来许多教材都增加了Matlab软件内容。教师在课时允许的情况下应尽量教会学生应用Matlab软件解决自动控制原理中的典型问题。
三、考核方式的改革
自动控制原理是一门理论联系实践较强的一门课程，考核方式也应该多样化，不能只有单一的期末理论考试。课程考核是教学的一个重要组成部分，采取什么样的考核方式对学生的学习积极性和最终成绩都将有直接的影响。[5][6]以往采取平时成绩占30%，期末考试占70%的考核方式，教学效果并不理想。改革后将采取平时成绩占15%、阶段考试占30%、期末考试占45%、实验占10%的考核方式。采取这种考核方式不仅能够考核学生对基本概念、基本理论及其应用的掌握程度，还能提高学生学习兴趣和积极性。此外，学生的动手能力也能够得到很好的提高。平时成绩主要包括作业和考勤。阶段考试分两次，每次总分50分，考试采取闭卷的形式，主要考查学生对基本概念和基本理论掌握程度。通过阶段考试，学生将能够记住相关的基础知识。期末考试将主要考核学生基本理论的应用能力，改革后试卷中加大了系统设计方面的比例。学院建有试题库，有20套试题。提高实验成绩比例，也有利于学生动手能力的提高，为学生今后从事自动化方面的研究工作打下良好的基础。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 吴晓蓓.“自动控制原理”课程讲授的几个要点[J].中国大学教学，2005（9）.
[2] 徐颖秦，潘丰.自动控制原理立体化教学新体系的探索与实践[J].电力系统及其自动化学报，2012（2）.
[3] 周树道，王敏.项目式教学在自动控制原理课程教学中的应用[J].大学教育，2014（16）.
[4] 余纯，季立贵，冯俊杰，韩文娟.“自动控制原理”课程教学研究与实践[J].考试周刊，2014（96）.
[5] 周勇.自动控制原理考核改革探讨[J].科技创新导报，2013（15）.
[6] 李界家，魏惠芳.改革自动控制原理考试方式提高学生素质[J].教改创新，2012（31）.
[责任编辑：刘凤华]
[摘 要]自动控制原理是电气信息类，尤其是自动化专业高年级本科生的专业基础课。教师可以根据近几年的自动控制原理教学经验及学校该课程的教学特点，对自动控制原理的教学内容、教学方法、考核方式等方面进行相应改革。
[关键词]自动控制原理；教学内容；考核方式
[中图分类号] H319 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）12-0148-03
自动控制原理是电气信息类，尤其是自动化专业高年级本科生的专业基础课。该课程既包含深入的理论知识，又密切联系实践，具有很强的实践性。这门课可以很好地指导学生的工程实践，为学生以后从事自动化相关专业打下良好的基础，还可以培养学生辩证的思维方法，提高学生综合分析和解决问题的能力。[1][2]因此，教好这门课具有重要的理论和实践意义。学校开设自动控制原理这门课已有多年历史，而笔者从事自动控制原理的教学工作3年有余，现就本校该门课程的教学特点及笔者几年的教学经验，提出几条浅薄建议。
一、教学内容的安排
自动控制原理的教材很多，我们主要使用胡寿松主编的《自动控制原理》第六版，一个学期48学时，其中理论40学时，实验8个学时。由于只有40个理论学时，课堂主要讲解第一章到第八章内容。
第一章和第二章是该课程的基础部分。通常讲解较慢，尤其是第二章控制系统的数学模型。第一章和第二章讲完，在学生对这门课程的理论体系、整本书的结构安排有了足够的了解后，再让学生做好相关数学知识的复习工作，后面章节虽然有难度，但学生理解起来也会相对轻松。前两章学生学好了，这门课就算入门了。
第三章是线性系统的时域分析法。本章是基础且重要的一章，但由于学生已经具备了一、二阶电路响应的知识，本章内容理解起来相对容易。几个重要的时域指标，调节时间、峰值时间、延迟时间、最大超调量等要求学生熟练记住。一、二阶系统较为直观，容易掌握，对于高阶系统没有固定的类似于一、二阶系统的解析方法，但可以利用Matlab软件来计算分析，要求学生掌握借助Matlab这一软件分析高阶系统时间域响应的方法。本章另一重点就是系统的代数稳定性判据，即劳斯判据。
第四章是根轨迹法。根轨迹可以直观地反映系统特征根的分布情况，但手工绘制精确根轨迹并非易事。本章主要要求学生掌握根轨迹的基本概念和绘制根轨迹的8条规则，以及如何利用Matlab来绘制根轨迹。
第五章是线性系统频域分析法。频域分析法主要通过Nyquist图、Bode图、Nichols曲线三种图形给出了线性系统频率特性的几何表示方法，同时给出了线性系统稳定的频率域判别方法。频率域方法较为直观，但Nyquist图画起来比较复杂，难以画得准确；对于一些具有典型特征的系统，如含有惯性环节的系统就较为容易；对于含有多种不同环节的系统则不太容易画出准确的图形。这部分内容仍然应要求学生掌握基本概念、基本方法，会用基本方法解决较为简单的题型。对于较为复杂的题型，则应掌握利用Matlab方法。Bode图相对Nyquist图能够较为准确地绘制，所以适合进行系统的分析与设计。一般介绍在Bode图上进行系统校正。Bode图上虽也可以进行系统稳定性分析且看起来简单，但对于稍微复杂的对象尤其是非最小相位系统来说比较复杂，学生难以准确掌握，这部分内容应该少讲。Nichols曲线虽容易分析系统闭环频率特性指标，但由于Nichols曲线的复杂性，现在应用较少，故自动控制原理中，Nichols曲线可不讲。
第六章是线性系统的校正方法。本章内容为经典控制理论的核心内容之一。这一章将涉及控制理论的具体应用。系统校正方法较多，但目前课上主要介绍基于Bode图的串联校正，其余方法基本不作介绍。在有限的学时内应重点介绍串联校正方法，包括超前校正、滞后校正、滞后超前校正。这三种串联校正实质上分别对应PI，PD和PID调节器，在讲授过程中要讲清楚它们之间的联系，以及各种校正方法的实现，它们各自所起的作用，何时该用何种校正方法。除此之外，应适当讲解实际工程例子，让学生切身体会到PID控制器在工程中的实际应用，也为学生后面从事控制理论研究打下良好的基础。
第七章是离散时间控制系统。实际的控制系统大部分属于离散时间控制系统。因此，离散时间控制系统这部分内容需要重点介绍。Z变换是处理本章内容的主要数学工具。讲清楚如何由Laplace变换得到Z变换，讲清楚二者之间的变换关系，便容易掌握Z变换。掌握了Z变换方法，再去讲解差分方程及其求解方法就会容易很多。离散系统虽自成体系，尤其自身的一套分析方法，但与连续系统之间的联系亦应适当介绍，这有助于学生利用已掌握的连续系统分析方法去相应地解决离散时间系统的相关问题。
第八章是非线性控制系统。在有限学时内，这部分内容主要介绍几种典型的非线性因素，以及描述函数法。由于相平面法较为复杂，对学生数学基础要求较高，这部分内容可供考研学生选学。
总之，在讲授自动控制原理这门课程时，内容上应不时地作适当的优化，应根据实际情况，对于不同的专业方向，根据其特点和要求，分别进行不同侧重点的内容安排。在学时允许的情况下，除了介绍基本概念和基本方法之外，还应结合习题、实物仿真和教师科研项目中的具体应用进行实际演练，使学生能够真正掌握本课程的实质和应用。
二、教学方法改革
由于知识体系的变化及学生知识结构变化，在讲授自动控制原理这门课时，教师的教学方法也应根据实际情况作适当调整，根据一些文献所述及笔者体会，可以尝试使用下面一些有别于传统的教学方式。
（一）项目式教学方法
这种方法虽早有文献报道，但实施起来有一定难度。对于现在学生的学习状况，也难保证效果。文献[3]中提到的项目式教学方法是基于工作过程的一种探究式教学方法，由教师将所要学习的新知识隐含在一个或几个基于工作过程为导向的项目之中，让学生通过自己对工作过程的项目进行分析、讨论、明确工作过程的项目大体涉及哪些知识，在教师的指导和帮助下找出解决问题的方法，最后通过项目的完成而实现对所学知识的应用。用项目对能力进行反复实训，课程教学实现一体化设计。如此，将实现与传统教学方法不同的三个转变，即以教师为中心转变为以学生为中心，从以课本为中心转变为以项目为中心，从以课堂为中心转变为以工作过程为中心。这种方法在实施过程中，对学生进行分组还可以培养学生的团队协作能力。在现在还是以考试为主要考核方式的情况下，这种方法可以作为一种辅助教学方法，在部分章节的教学中使用。比如，控制系统校正部分，这部分相对前面几章较难，可以给学生布置一个工程背景较强的综合应用题，让学生分组去完成。这样不仅可以调动学生的学习兴趣，还可以让学生把本课程核心内容掌握牢固。
（二）启发—引导式课堂教学
这种方法主要从如何激发学生学习兴趣，启发学生提出问题、思考问题，引导学生如何解决问题入手，让学生轻松愉快地掌握知识。[4]这样学生不仅不会觉得理论知识枯燥无味，还会变得热爱这门课程。比如，在讲解自动控制装置的时候，不同的教材有不同的例子。我们在讲解时选用的是炉温控制系统。自动控制系统的核心是反馈控制。如何让学生理解反馈的含义至关重要。我们先给出一幅人工控制炉温的图，让学生试着回答工作过程。然后，提出问题：如果将人所做的工作换成自动控制装置，需要如何设计这个装置？这个过程中可以提出反馈的机理。将自动控制炉温控制原理图给出来的时候，学生将自然明白反馈的基本原理。
（三）实验教学
自动控制原理是一门有一定理论深度，又注重实践的课程。实验教学是学好这门课程不可缺少的一种教学方法。这门课程实验主要包括在实验箱上对一些典型环节进行模拟和Matlab仿真两部分。目前本校实验主要是对基本原理的验证，即验证性实验。这类实验本身对学生不具有吸引力，加之实验设备容易损坏，经常不能顺利完成实验，明显不利于培养学生的设计、创新和工程实践能力。所以该门课程的实验教学需要改革。除了基础性验证实验之外，还应增加一些创新性实验内容。如模拟PID闭环温度控制系统的设计与实现、倒立摆的PID控制器设计与仿真、单回路液位自动控制系统设计与仿真等。另外，教师还可以指导学生上网查询相关文献，分组进行选择创新实验内容。这部分实验不仅可以培养学生的学习兴趣，也可以提高学生利用所学知识解决实际问题的能力。
Matlab软件作为新型编程语言和可视化工具，有着其他软件不能比拟的优势。近年来许多教材都增加了Matlab软件内容。教师在课时允许的情况下应尽量教会学生应用Matlab软件解决自动控制原理中的典型问题。
三、考核方式的改革
自动控制原理是一门理论联系实践较强的一门课程，考核方式也应该多样化，不能只有单一的期末理论考试。课程考核是教学的一个重要组成部分，采取什么样的考核方式对学生的学习积极性和最终成绩都将有直接的影响。[5][6]以往采取平时成绩占30%，期末考试占70%的考核方式，教学效果并不理想。改革后将采取平时成绩占15%、阶段考试占30%、期末考试占45%、实验占10%的考核方式。采取这种考核方式不仅能够考核学生对基本概念、基本理论及其应用的掌握程度，还能提高学生学习兴趣和积极性。此外，学生的动手能力也能够得到很好的提高。平时成绩主要包括作业和考勤。阶段考试分两次，每次总分50分，考试采取闭卷的形式，主要考查学生对基本概念和基本理论掌握程度。通过阶段考试，学生将能够记住相关的基础知识。期末考试将主要考核学生基本理论的应用能力，改革后试卷中加大了系统设计方面的比例。学院建有试题库，有20套试题。提高实验成绩比例，也有利于学生动手能力的提高，为学生今后从事自动化方面的研究工作打下良好的基础。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 吴晓蓓.“自动控制原理”课程讲授的几个要点[J].中国大学教学，2005（9）.
[2] 徐颖秦，潘丰.自动控制原理立体化教学新体系的探索与实践[J].电力系统及其自动化学报，2012（2）.
[3] 周树道，王敏.项目式教学在自动控制原理课程教学中的应用[J].大学教育，2014（16）.
[4] 余纯，季立贵，冯俊杰，韩文娟.“自动控制原理”课程教学研究与实践[J].考试周刊，2014（96）.
[5] 周勇.自动控制原理考核改革探讨[J].科技创新导报，2013（15）.
[6] 李界家，魏惠芳.改革自动控制原理考试方式提高学生素质[J].教改创新，2012（31）.
[责任编辑：刘凤华]
