交通與汽車類自動(dòng)控制原理教學(xué)改革實(shí)踐

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摘要：自動(dòng)控制原理是自動(dòng)化專業(yè)的核心基礎(chǔ)課，也是工科專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課程。要求非自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生系統(tǒng)掌握這門理論性較強(qiáng)的課程不切實(shí)際。文章主要闡述“自動(dòng)控制原理”課程的特點(diǎn)，并從優(yōu)化課程內(nèi)容與啟發(fā)式教學(xué)的運(yùn)用兩個(gè)方面探討交通與汽車類專業(yè)自動(dòng)控制原理教學(xué)改革的策略。

關(guān)鍵詞：交通與汽車類專業(yè)；自動(dòng)控制原理；教學(xué)改革

一、“自動(dòng)控制原理”課程特點(diǎn)

“自動(dòng)控制原理”是自動(dòng)化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是控制理論與控制工程專業(yè)碩士入學(xué)考試專業(yè)科目。該課程的學(xué)習(xí)需要較為深入的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，需要系統(tǒng)學(xué)習(xí)復(fù)變函數(shù)、模電、數(shù)電、電路等相關(guān)前置課程。課程設(shè)置一般為六七十個(gè)學(xué)時(shí)，詳細(xì)介紹時(shí)域分析、根軌跡、頻域分析等經(jīng)典的控制系統(tǒng)分析方法。對(duì)于除自動(dòng)化之外的理工科專業(yè)，通常將控制原理作為學(xué)科基礎(chǔ)課，結(jié)合各專業(yè)自身的學(xué)科背景，開設(shè)“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”“汽車控制技術(shù)基礎(chǔ)”等課程，一般只有二三十個(gè)學(xué)時(shí)。傳統(tǒng)的自動(dòng)控制原理課程包含的內(nèi)容多且復(fù)雜、理論性強(qiáng)，讓非自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)這門課程不切實(shí)際也沒有必要。故而針對(duì)非自動(dòng)化專業(yè)開展精簡或新形式的控制原理教學(xué)有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。開展針對(duì)交通與汽車類專業(yè)控制理論的教學(xué)要重視學(xué)生專業(yè)背景與前置課程基礎(chǔ)特征。在專業(yè)背景方面，該類專業(yè)主要面向汽車工業(yè)與交通領(lǐng)域培養(yǎng)專門人才，學(xué)生對(duì)汽車構(gòu)造、汽車?yán)碚?、交通工程學(xué)等課程有較為系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)控制原理的意義也是在于開展汽車以及交通方面的控制器設(shè)計(jì)。故而課程內(nèi)容應(yīng)盡量包含交通及汽車領(lǐng)域的各種控制實(shí)例，設(shè)計(jì)例如懸架、巡航、跟馳模型等針對(duì)性較強(qiáng)的控制系統(tǒng)實(shí)例能夠很好地激發(fā)學(xué)生興趣。控制系統(tǒng)的分析與控制器的設(shè)計(jì)可以利用計(jì)算機(jī)仿真來實(shí)現(xiàn)，加大相關(guān)軟件的實(shí)際操作培訓(xùn)。交通與汽車類專業(yè)的學(xué)生普遍有C語言的課程基礎(chǔ)，且隨著計(jì)算機(jī)的普及，本科生普遍具備使用筆記本電腦的條件。具有專業(yè)性的控制實(shí)例結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)?zāi)軌蛴行д{(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。在前置課程基礎(chǔ)方面，對(duì)于交通與汽車類的學(xué)生來說，課程基礎(chǔ)與自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生有較大的區(qū)別。汽車與交通類專業(yè)大一大二對(duì)微積分、理論力學(xué)等課程有了較為系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，但是對(duì)于控制領(lǐng)域常用的拉普拉斯積分變換并沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過，這對(duì)于理解經(jīng)典控制理論中利用傳遞函數(shù)分析控制系統(tǒng)性能有較大的障礙。故而需要在課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)上針對(duì)授課對(duì)象補(bǔ)齊必要的基礎(chǔ)知識(shí)，在介紹傳遞函數(shù)之前補(bǔ)充拉普拉斯積分變換的相關(guān)知識(shí)。構(gòu)建仿真模型還涉及到數(shù)值計(jì)算方法的相關(guān)內(nèi)容，為了便于學(xué)生理解仿真的計(jì)算過程，還可以適量補(bǔ)充數(shù)值方法相關(guān)內(nèi)容。筆者結(jié)合自己的學(xué)科專業(yè)背景，總結(jié)了課題組十余年針對(duì)交通與汽車類專業(yè)在控制理論課程內(nèi)容設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)，提出了關(guān)于教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革舉措，在多年的教學(xué)實(shí)踐中取得了較好的效果。

二、針對(duì)專業(yè)背景優(yōu)化課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的控制原理包含系統(tǒng)建模、時(shí)域分析、根軌跡等系統(tǒng)的經(jīng)典分析方法，但是對(duì)于非自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，對(duì)控制原理的學(xué)習(xí)并不需要全面掌握控制系統(tǒng)的分析方法，而是需要根據(jù)自身專業(yè)的特點(diǎn)，從本專業(yè)常見的控制問題入手，介紹系統(tǒng)構(gòu)建及分析方法，以能夠解決本專業(yè)的控制問題為目標(biāo)。

（一）以“反饋”為核心的課程內(nèi)容設(shè)計(jì)非自動(dòng)化專業(yè)控制原理講授內(nèi)容多是刪減版的自動(dòng)控制原理，主體框架依照國內(nèi)主流的自動(dòng)控制原理教材，講授時(shí)域分析、根軌跡、頻域分析等內(nèi)容，然而對(duì)于非自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，該門課程的學(xué)習(xí)時(shí)間有限，過于細(xì)致的理論講解容易使學(xué)生覺得枯燥無味。針對(duì)交通與汽車類的理工科學(xué)生，控制課程的內(nèi)容應(yīng)該圍繞反饋[2]、穩(wěn)定性等控制的核心思想，介紹適量的理論分析，再結(jié)合自身專業(yè)的仿真實(shí)例加深原理及概念的理解，可以起到較好的教學(xué)效果?！蹲詣?dòng)控制：反饋的力量———使用MATLAB》是一本創(chuàng)新性地介紹自動(dòng)控制的課本，由塞奧德•E.特費(fèi)斯所著，西安交通大學(xué)出版社譯制出版。本書主要討論“反饋”的基本概念，并表明如何用它來設(shè)計(jì)自動(dòng)控制器。以該教材的內(nèi)容編排為主體，結(jié)合交通、汽車類專業(yè)的學(xué)科特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的新的課程安排如表1所示。八個(gè)章節(jié)的內(nèi)容可分為兩個(gè)部分，前四章重點(diǎn)介紹系統(tǒng)建模，除了基本的理論建模，還包含運(yùn)用仿真軟件建模方法的介紹，再結(jié)合本專業(yè)常見的系統(tǒng)模型，可以有效提高學(xué)生的興趣和動(dòng)手能力，使建模不僅僅停留在理論層面。后四章重點(diǎn)講述系統(tǒng)分析方法，以“反饋”為核心思想，運(yùn)用傳遞函數(shù)分析反饋是如何提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如何運(yùn)用PID控制器設(shè)計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)的控制方法。該課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)雖然舍棄了諸如時(shí)頻分析、根軌跡等經(jīng)典的分析方法，但是內(nèi)容設(shè)計(jì)淺顯易懂，主線清晰，能夠較好提升學(xué)生的興趣，通過工程實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考。

（二）結(jié)合汽車模型的MATLAB仿真練習(xí)MATLAB是優(yōu)秀的仿真編程軟件，控制系統(tǒng)分析及構(gòu)建的很多工作都可以在該軟件平臺(tái)上完成，尤其是Simulink在汽車控制系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。利用MATLAB軟件輔助課堂教學(xué)，幫助學(xué)生理解抽象的控制理論[3]?；贛ATLAB軟件的課堂練習(xí)分別包含文本編程和圖形化編程方法。第三章數(shù)值計(jì)算運(yùn)用文本編程，即M語言編程。由于工科學(xué)生廣泛具備C語言的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，在理解數(shù)值計(jì)算原理的基礎(chǔ)上能夠利用循環(huán)語句構(gòu)建迭代求解方法。第四章構(gòu)建車輛系統(tǒng)模型，Simulink來實(shí)現(xiàn)建模仿真，雖然多數(shù)學(xué)生此前并未接觸過圖形化編程方式，但是圖形化編程形象生動(dòng)，較比相對(duì)枯燥的文本編程易于掌握。多輪次的教學(xué)效果表明，絕大多數(shù)學(xué)生都更喜歡選用圖形化編程方式。

三、啟發(fā)式教學(xué)的運(yùn)用

教學(xué)方法的選擇應(yīng)該豐富多樣，除了傳統(tǒng)的課堂講授，還應(yīng)該引入更加豐富的教學(xué)手段。由于課程時(shí)長的限制，控制原理的很多經(jīng)典課程并不能夠在課堂上逐一講授，那么如何調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣引導(dǎo)大家課后自學(xué)是關(guān)鍵。啟發(fā)式教學(xué)即引導(dǎo)學(xué)生積極參與課堂討論，結(jié)合本專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，自學(xué)未能完全展開的理論知識(shí)，進(jìn)一步提升教學(xué)效果。

（一）課堂網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)互動(dòng)的運(yùn)用傳統(tǒng)課堂由于一對(duì)多的教學(xué)模式很難使每一個(gè)學(xué)生都參與課堂互動(dòng)，想讓大多數(shù)學(xué)生都參與到課堂發(fā)言勢(shì)必占用大量的課堂時(shí)間。隨著智能手機(jī)及網(wǎng)絡(luò)的普及，師生可以利用QQ、微信等即時(shí)聊天工具建立課程溝通群，在群內(nèi)發(fā)言參與課堂互動(dòng)。以系統(tǒng)穩(wěn)定性分析為例，課堂練習(xí)給出若干控制系統(tǒng)框圖，讓學(xué)生根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，學(xué)生將求解過程各自拍照發(fā)送至課程群，教師及時(shí)發(fā)現(xiàn)多數(shù)學(xué)生易出現(xiàn)的問題并在課堂上及時(shí)糾正。該方法不僅可以提高溝通效率，方便每一位學(xué)生參與到課堂提問，還便于教師了解學(xué)生的理解情況，實(shí)時(shí)根據(jù)課堂大部分學(xué)生的反饋情況調(diào)整授課進(jìn)度。另外，軟件的發(fā)言頻次統(tǒng)計(jì)結(jié)果還可以作為出勤的考核依據(jù)之一。

（二）實(shí)施開放式課程答辯傳統(tǒng)的課程考試雖然能全面考察學(xué)生關(guān)于理論知識(shí)的掌握情況，卻往往容易使課程變成機(jī)械的應(yīng)試教育。課程答辯是一種開放性課程考核辦法，要求學(xué)生結(jié)合自身專業(yè)知識(shí)完成一項(xiàng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并在結(jié)課后開展統(tǒng)一的答辯環(huán)節(jié)。運(yùn)用課程答辯的考核形式不僅可以檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握水平，也能夠啟發(fā)學(xué)生結(jié)合自身專業(yè)特點(diǎn)，通過查閱文獻(xiàn)、模型構(gòu)建、系統(tǒng)分析完成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)構(gòu)建。多年的教學(xué)成果顯示，有相當(dāng)一部分學(xué)生能夠運(yùn)用課堂所學(xué)完成一項(xiàng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。開放式的課程答辯不僅能夠鞏固課上講授的理論知識(shí)，更能夠啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程自學(xué)大綱以外的理論知識(shí)。

四、結(jié)論

本文探討了交通與汽車類專業(yè)控制原理的教學(xué)改革與實(shí)踐問題，重點(diǎn)針對(duì)課程內(nèi)容和教學(xué)方法兩方面提出了改革的意見和建議。針對(duì)交通與汽車類專業(yè)的工科學(xué)生，需要設(shè)計(jì)合理的教學(xué)內(nèi)容，以控制的核心思想———“反饋”為主線設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，再結(jié)合自身專業(yè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)仿真實(shí)例加深理論的理解。另一方面，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)通信以及答辯環(huán)節(jié)等形式多樣的啟發(fā)式教學(xué)方法能夠很好地激發(fā)學(xué)生興趣，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，起到事半功倍的效果。

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[3]王艷，浮宗霞.基于MATLAB的自動(dòng)控制原理教學(xué)改革的探討[J].教育現(xiàn)代化，2017，（7）.

作者：林楠 施樹明 單位： 吉林大學(xué)