譚拂曉，王戴木

（阜陽師范學院 計算機與信息工程學院，安徽 阜陽 236037）

面向智能制造的自動控制原理課程教學改革

譚拂曉，王戴木

（阜陽師范學院 計算機與信息工程學院，安徽 阜陽 236037）

自動控制原理知識豐富，授課重點多，抽象的內容，工程應用廣泛。在《中國制造2025》綱要中，智能制造起著至關重要的地位，它是一種基于自動控制原理的自動化控制系統。本文在總結已取得的教學成果的基礎上，結合現代計算機仿真軟件和基于智能制造的實際工程系統進行全面教學改革。經過自動控制原理的學習，使學生具有分析和設計自動控制系統的能力，具有豐富的工程實踐經驗和具備獨立科研攻關的能力。通過該課程的學習，使學生掌握自動控制的基礎理論，為其他信息類專業(yè)課學習和具體工程實踐打下堅實的基礎。

自動控制原理；智能制造；教學改革；工程實踐

經濟發(fā)展在一定程度上將受到信息技術落后的影響，受到人才缺乏的制約，這些都對安徽省的高等教育事業(yè)提出了更新、更高的要求。培養(yǎng)應用型人才，豐富授課內容是工科專業(yè)建設的核心任務。隨著電子技術、計算機技術的飛速發(fā)展，社會對懂得自動控制原理等相關工程應用的高科技人才的需求量不斷增大，人才缺口越來越大。要滿足皖西北跨越發(fā)展所需的智力支撐，關鍵在于大力調整應用型專業(yè)課程設置，培養(yǎng)高層次應用型人才。

國家于2015年頒布“《中國制造2025》綱要”，明確9項任務與十大重點領域。在《中國制造2025》中，由智能機器人和人工智能共同構建的智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）地位突出，它是智能化自動控制系統［1］。這些任務與重點領域都急需大量精通自動控制的高技術人才，這為阜陽師范學院信息類工科專業(yè)加強自動控制原理及其相關課程建設指明了改革的方向。

1　自動控制原理課程主要現狀

自動控制原理是工科信息類專業(yè)主干課程，該課程概念十分抽象、講授內容眾多、專業(yè)綜合知識和實踐性較強。通過對自動控制原理課程的學習，使學生具有對自動控制系統的設計和分析能力、工程應用和具有獨立科研攻關的能力。教學改革的目標是培養(yǎng)本科生對該課程的學習興趣，掌握基礎理論，具備對智能制造和工業(yè)機器人進行定性分析、定量估計和開發(fā)設計的能力，并為后續(xù)的專業(yè)課程的學習和實習實訓奠定扎實的理論基礎，并建立理論聯系實際的科學觀點和團隊協作的都具有重要的指導作用［2-6］。

自動控制原理課程是建立在高等數學、線性代數、積分變換、電路基礎、模擬電路、數字電路、大學物理、機械設計基礎、信號與系統等專業(yè)課程之上，重點講授線性反饋系統的分析與設計，并且涉及現代控制理論部分內容和最優(yōu)控制的部分知識點。自動控制原理與智能制造密切相關，其概念深奧、知識點眾多、工程實例豐富并具有抽象性。在以往的教學中，往往只傳授基本概念、基礎理論和公式推導，忽視工程應用，從而導致教師在教學中感到學生厭學，課堂枯燥乏味［7-10］。

我校開設自動控制原理的主要專業(yè)有“信息工程”和“電氣工程及其自動化”。在教學實踐中，主要存在以下幾個方面的問題：一是與工程應用和智能制造相互脫節(jié)，過分強調抽象的理論和繁雜的數學公式推導；二是盡管采用現代化教學方法，但是目前學生大多只是停留在感性認識，并沒有真正起到增加學習興趣的效果；三是自動控制原理課程作圖方法眾多而繁雜，該課程中有很多知識點需要制圖，主要包括：控制系統結構圖、控制信號流程圖、根軌跡圖、Nyquist圖和Bode圖等［11，12］。

Matlab具有工程計算、數值分析、矩陣分析、計算機算法設計、數據可視化以及控制建模和仿真等強大功能于一體的交互式計算機仿真軟件。Matlab吸收了Mathematica和Maple等計算機仿真軟件的優(yōu)點，使Matlab成為一個強大的動態(tài)系統仿真工具，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平［13，14］。在Matlab中，Simulink提供了控制系統仿真、動態(tài)系統建模、交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫的可視化計算機仿真工具，具有仿真精度高、運算效率高、密切工程實際、流程清晰和適用面廣等特點，因而廣泛應用于自動控制系統的分析與設計［7］。

面向智能制造的Matlab/Simulink計算機仿真為學生提供了簡潔、直接的可視化學習方式，結合工程實際加深了學生對于自動控制原理課程的認識，豐富了學生的學習視野、拓寬了學習內容。有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力［14］。

2　面向智能制造的自動控制原理教學改革

在總結已取得的教學成果的基礎上，結合現代計算機仿真軟件Matlab/Simulink和基于智能制造的實際工程控制系統進行教學改革。經過自動控制原理課程的學習，使學生掌握分析和設計自動控制系統的方法，具有豐富的工程實踐經驗和具備獨立科研攻關的能力。通過該課程的學習，使學生在掌握自動控制的基本概念的同時，為其他信息類專業(yè)課學習和具體工程實踐打下堅實的基礎。教學改革總體框架見圖1所示。

2.1注重基礎知識，突出教學重點

課堂是大學生獲取知識、培養(yǎng)創(chuàng)新能力的重要場地。自動控制原理課程涉及大量的數學和物理知識、理論十分抽象、工程實例較多，并具有一定難度和深度的專業(yè)主干課程。在教學上應加強控制理論的基礎知識的講授，主要包括控制系統的數學模型；線性系統的時域分析；控制系統的根軌跡法；線性系統的頻域分析法；自動控制系統的校正方法；線性離散系統的分析與校正；非線性控制系統分析；線性系統的狀態(tài)空間描述；線性定常系統的線性變換；線性系統的可控性與可觀測性；狀態(tài)觀測器；Lypunov穩(wěn)定性判據等。加強與自動控制原理相關的線性代數、電路分析基礎、高等數學、積分變換、復變函數和信號與系統等課程的教學，培養(yǎng)學生扎實的專業(yè)基礎，塑造學生的抽象思維。經過教學改革，豐富教學實踐，使學生在學好基礎知識的同時，具有對實際的智能制造系統進行定量估計、定性分析和工程設計的能力，具備用科學的思維和現代化的計算機仿真處理實際工程問題的能力。

圖1　自動控制原理教學改革總體框架

2.2基于可視化計算機仿真，拓寬專業(yè)課程

本課程的建設目標是結合課堂講授和實際智能制造工程實例，對傳統的教學內容和方式進行全面改革，把Matlab和Simulink計算機仿真引入課題教學，針對數學建模、時域分析、根軌跡圖繪制、Nyquist圖描述、Bode圖制作、離散系統的分析與綜合和現代控制理論進行教學改革。在數學建模上，進行Matlab程序設計，構建各類控制系統的數學模型；借助Matlab強大的繪圖功能，實現時域、頻域、復頻域和離散系統的動態(tài)特性曲線，進而分析各類控制系統的性能指標及其穩(wěn)定性；培養(yǎng)學生的面向智能制造的工程實際能力和控制系統分析與設計的工程實踐經驗。

2.2.1減少課堂上繁雜的數值計算

在自動控制原理課程中，數值計算復雜，公式推導繁瑣，需要對書本例題進行定性分析和定量計算，才能使學生明白基本概念，掌握基本的學習方法。但是面對大量計算和復雜的控制系統繪圖，往往會使學生感到該課程乏味和枯燥，進而產生厭學和棄學，因此需要引入計算機仿真，使學生從感性學習上升到理性認識。

2.2.2精確繪制自動控制系統的各類圖形

自動控制原理課程體系中，需要大量的繪制各類圖形。本科生在學習該課程上一方面要掌握這些圖形繪制的基本技巧，另一方面還有根據這些曲線進行定性分析，進而掌握各類控制系統的動態(tài)特性。當面對智能化較高的工程實際系統，傳統的課堂繪圖方法十分麻煩，不僅費而且工費時。采用Matlab與智能制造工程實例相結合，借助于Matlab強大的繪圖功能，獲得直觀的動態(tài)特性曲線，不僅有利于各類動態(tài)曲線的繪制，而且可以定性分析各類控制系統性能，提高教學效果，增加學習興趣。

2.2.3對于控制系統的參數修改方便

在實際控制系統中，當系統參數變化時會改變系統的動態(tài)特性，因而通過自動控制原理的教學改革，使學生從單純的理論解脫出來，從而分析實際系統的參數變化對動態(tài)系統的影響，進一步激發(fā)學生的學習興趣，構建全新的教學模式。在基于Matlab教學改革中，參數變化對控制系統的分析和動態(tài)系統的影響很容易實現，并且可以進行可視化仿真，更加增強了學生的感性認識。例如，在二階系統的時域分析中，阻尼比參數對控制系統的動態(tài)影響十分巨大，希望二階系統工作在欠阻尼條件下。在單位階躍響應作用下，采用Matlab仿真或者Simulink建模的方法，對阻尼參數進行調整，通過可視化實現二階系統的動態(tài)輸出。

2.3面向智能制造的自動控制原理課程體系改革

在自動控制原理的教學實踐中，在有限的教學課時條件下使學生學會自動控制的基本理論，豐富學生的工程實踐，加強應用能力培養(yǎng)成為自動控制原理教學改革的關鍵。根據智能機器人，教學改革從課程體系著手，以數學建模、控制系統分析和自動控制系統綜合與設計為調整主線，加強工程應用，強化實踐能力。在自動控制系統中，數學模型的建立是設計和分析控制系統的基礎。因此在面向智能制造的自動控制原理教學改革中，具體分析和設計實際工業(yè)機器人系統，從分析它的物理含義入手，建立與工程密切相關的數學模型，使學生真正懂得物理系統與數學模型之間的聯系。在此基礎上，對實際工業(yè)機器人系統采取時域分析分析其性能指標、采用根軌跡法分析其穩(wěn)定性、根據頻域法分析其動態(tài)特性，這都是自動控制原理教學改革的重點。在以智能機器人為代表的實際自動控制系統中，快速性、精確性和穩(wěn)定性是自動控制的基本要求，是衡量控制系統優(yōu)缺性的主要特征。自動控制原理課程緊密圍繞這三個目標進行教學改革，從而抓住教學改革的關鍵。在教學改革中培養(yǎng)學生的應用技能、創(chuàng)新能力和科學思維是教學改革的難點。選取智能制造的工程實際系統，凸顯應用背景，在實際的工程中學習自動控制的基本原理，分析和設計其基本方法以及動態(tài)特性，從而拓寬學生的學科眼界，激勵求知欲望，增加創(chuàng)新激情，使學生真正感受到該課程的重要性，加深了理論知識的學習和工程實踐的認識，達到了課程學習與創(chuàng)新能力的全面生化。

2.4改革實踐教學體系，優(yōu)化實踐教學結構

實踐是理論創(chuàng)新的源泉，實踐教學的根本是提升學生的應用技能，培養(yǎng)國家急需的應用型人才。引入Matlab和Simulink計算機仿真工具，從而進一步加深學生對自動控制基本知識的認知，是驗證課堂教學好壞的標準。根據智能機器人，加強課程設計，在實踐教學中培養(yǎng)學生的學習主動性、靈活性和系統性。我校選用胡壽松主編的《自動控制原理》第6版作為教材，在保證教學內容完整性的同時，根據各專業(yè)的特點，調整教學內容，增加實際工程應用，加強課程設計。作為一本經典的優(yōu)秀教材，在時間有限的條件下使學生學到更多的知識，全面提升教學效果，需要對課程體系進行調整優(yōu)化，強化基礎知識，凸顯工程應用，面向技能培養(yǎng)。結合學科體系和專業(yè)特點，調整章節(jié)順序，在授課過程中突出課程重點，舍去與工程實際結合不緊密的知識點，可以獲得更好的教學成果。在每章節(jié)的教學實踐中，結合智能制造的工程實例，擴展學科發(fā)展前景，盡可能使學生從實踐中學習理論知識，做到理論與實踐密切結合。

3　教學改革主要目標和關鍵性問題

3.1課程改革的主要目標

結合工程實際，改革現有教學手段，豐富教學內容。在課堂教學中，一方面加強基礎理論和基本分析方法的傳授，另一方面在講授的內容深度與廣度上有所度量。注重漸進式教學，把握好與后續(xù)課程的銜接，增加學生學習興趣，樹立學好自動控制原理的信心，實現專業(yè)培養(yǎng)目標。

在自動控制原理課程學習過程中，使學生熟練掌握現當今應用廣泛、功能強大的Matlab計算機仿真軟件，并把該課程引入到智能制造的工程實際。在這種教學改革下，學生不僅拓展的視野，培養(yǎng)了科學思維，豐富了教學實踐。在工程實踐中學習該課程，使學生明確該課程的重要性，通過工程實例學習自動控制原理，并對其他專業(yè)課程的學習起著承上啟下的作用，增強了學生的使命感和成就感。

全面修訂教學計劃，豐富各章節(jié)的工程實例。全面編寫新的面向智能制造的自動控制原理教案，運用工程實際，通過可視化的計算機仿真，把自動控制原理課程中難以理解、比較抽象的內容直觀的呈現在課堂教學中，使學生輕松的學習和掌握。

進一步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和工程實踐技能。應用型人才的培養(yǎng)離不開實踐教學，面向智能制造的教學改革也離不開實踐教學。通過實踐教學可以加深學生對基礎知識的理解，驗證課堂教學的好壞。結合該課程特點及現有條件，依托“信息處理與智能系統”校級重點實驗室，讓學生“走進科研”、“走進創(chuàng)新”、“走進學術前沿”。

3.2課程改革關鍵問題

編著面向智能制造的自動控制原理輔助教材，使學生熟悉和掌握實際自動控制系統的基本特點，培養(yǎng)運用控制理論分析和設計的基本技能。利用Matlab/Simulink輔助課堂教學，將計算機仿真充分運用到課堂教學和實際工程應用，使抽象的理論具體化。

堅持使用面向智能制造的工程實例，提高教學效果，包括采用統一自行研制的“面向智能制造的自動控制原理可視化計算機網絡平臺”與課堂教學相結合，使學生通過網絡學習課程，實現真正意義的交互式教學。

實驗教學改革和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，是教學改革的中心環(huán)節(jié)。將智能制造工程實例與計算機仿真有機結合，全面修訂實驗教學和課程設計大綱，增加關于可視化計算機仿真的教學內容，加強課程設計，申報和實施大學生創(chuàng)新項目，提升實習和實訓質量，培養(yǎng)學生的工程應用技能。

4　結論

在面向智能制造的自動控制原理教學改革中，采用工程實例與可視化計算機仿真相結合，設計教學方法，改革教學方式，轉變教學模式，注重學科交叉，修訂教學大綱，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，塑造科學思維，激發(fā)學習興趣，全面提升教學質量。設計“面向智能制造的自動控制原理可視化網絡教學平臺”，采用Matlab/Simulink進行實際智能制造系統的圖形化建模，并且在屏幕上顯示數據以及輸出計算機仿真數據和圖形，教學平臺的建設將為自動控制原理課程提供了一個具有實用價值的教學工具。

通過“面向智能制造的自動控制原理教學改革”，將會構建更為科學合理的教師教育課程體系，同時將會通過學科專業(yè)課程的科學設置以及設立選修課程，鼓勵學生個性發(fā)展，拓寬學生知識面，使學生在工程實踐方面有較突出的特長，培養(yǎng)一專多能的應用型復合人才。

［1］ 王喜文.中國制造2025解讀：從工業(yè)大國到工業(yè)強國［M］.3版.北京：機械工業(yè)出版社，2015.

［2］ 胡壽松.自動控制原理［M］.6版.北京：科學出版社，2013.

［3］ 胡壽松.自動控制原理習題解析［M］.2版.北京：科學出版社，2013.

［4］ 李友善.自動控制原理［M］.3版.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

［5］ 李友善.自動控制原理480題［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2015.

［6］ Franklin G F，Powell J D，Emami-Naeini A.Feedback control of dynamic systems（7th Edition）［M］.Prentice Hall，2015.

［7］ 劉萍.應用型大學自動控制原理課程教學改革［J］.中國現代教育裝備，2014，17：68-70.

［8］ 汪洋.基于MATLAB教學平臺的自動控制原理教學改革研究［J］，臺州學院學報，2011，3：76-81.

［9］ 段納，高慶爭.自動控制原理教學中的問題及對策探討［J］.曲阜師范大學學報（自然科學版），2011，2：7-10.

［10］趙肖宇，劉坤，梁清梅.一個工程實例貫穿“自動控制原理”教學過程［J］.牡丹江大學學報，2012，2：180-181.

［11］李彥梅，張三剛.Matlab在自動控制原理教學中的應用［J］.安慶師范學院學報：自然科學版，2010，2：111-114.

［12］徐穎秦，潘豐.自動控制原理立體化教學新體系的探索與實踐［J］.電力系統及其自動化學報，2012，2：152-155.

［13］王正林.MATLAB/Simulink與控制系統仿真［M］.3 版.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［14］薛定宇.控制系統計算機輔助設計：MATLAB語言與應用［M］.3版.北京：清華大學出版社，2012.

Teaching reform about principle of automatic control based on intelligent manufacturing

TAN Fu-xiao，WANG Dai-mu
（School of Computer and Information Engineering，Fuyang Normal University，Fuyang Anhui 236037，China）

The cause of“Automatic Control Theory”covers a lot of details，which include many teaching content，abstract concept，and with a strong practical and comprehensive professional knowledge.In“Made in China 2025”compendium，Intelligent Manufacturing（IM）plays a vital role，which is a kind of automatic control system based on control theory.On the basis of summary of teaching results and combined with modern computer simulation and actual project of intelligent manufacturing system，this curriculum need be reformed comprehensive.By learning control theory，the main tasks are to train students'the analysis of control system designing ability，the engineering practice ability and the innovation ability.Through this cause studying，students not only master the basic theory of automatic control，but lay a solid foundation for studying other information course and the concrete engineering practice.

principle of automatic control；intelligent manufacturing；teaching reform；engineering practice

TP13

A

1004-4329（2016）02-122-05

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329（2016）02-122-05

2016-04-28

阜陽師范學院教學研究項目（2015JYXM05）資助。

譚拂曉（1971－），男，博士，副教授，研究方向：分布式估計與動態(tài)優(yōu)化。