课程名称

自动控制系统

总学时

48

理论学时

38

英文名称

Control System of Electric Drives

学  分

3

实验/实践学时

10

课程类型

¨通识课；¨学科课；þ专业课；¨实践课

课程性质

þ必修课；¨选修课

考核类型

þ考试课；¨考查课

考核方式

þ课堂考评；þ实验考评；þ课程思政考评；þ作业考评

þ笔记考评；þ期末考试；¨设计；¨论文；¨其它

成绩构成比例

课堂考评15%；实验考评10%；课程思政考评5%；作业考评5%；

笔记考评5%；期末考试60%

先修课程

《电机学》《传感器技术》《自动控制原理》《电力电子技术》

《变频器原理与应用》

后续课程

《毕业设计》

课程分析

【课程概况】

《自动控制系统》课程是自动化专业的专业必修课之一。课程是电机学、电力电子技术、微电子学、计算机科学、自动控制理论等多种学科的有机结合与交叉。本课程以控制系统的原理、分析和设计为主线，应用自动控制理论，解决运动控制系统的分析和设计等实际问题。以转矩和磁链控制规律为主线，按照从开环到闭环、从直流到交流来论述运动控制系统的静、动态性能和设计方法。

课程内容包括可控电源—电动机系统的特殊问题及机械特性，调速系统的性能指标，交、直流调速系统的工作原理和结构，反馈控制的基本特点，反馈控制系统的静、动态性能指标及分析方法，调节器结构及参数的设计方法，反馈控制系统的实现，计算机仿真在控制系统中的应用等。学生通过学习本课程可为进一步掌握该类系统的分析与研究、设计与调试、运维与检修等打下坚实的基础。

课程为辽宁科技学院“一流本科课程”“课程思政示范课程”“专创融合示范课程”。

依托本课程“专创融合”实践，学生参与创新创业竞赛项目，取得2019年中美青年创客大赛（省赛）优秀奖及其他奖项1项、2020年“朔日杯”辽宁省普通高等学校本科大学生计算机设计竞赛（省赛）二等奖1项、三等奖1项、2020年中美创客大赛（省赛）二等奖1项、2023年辽宁省Proteus仿真设计大赛（省赛）二等奖1项、2023年华为辽宁省大学生信息化技能大赛（省赛）二等奖1项、2024年省级大学生创新创业训练计划1项、2024年辽宁省Proteus仿真设计大赛（省赛）二等奖1项。

【教学资源分析】

学校优先保障教学投入，加强专业和课程建设，完善教学设施，鼓励实验、教学资源向学生开放，提高教学科研设施等资源的开放度与利用率，为人才培养创造条件。学校始终坚持以教学工作为中心，支出预算优先安排教学经费，重点保障专业建设、课程建设、教材建设、实验室建设、教学设备、教学研究、重点学科建设、教学竞赛、大学生创新创业项目等专项经费投入；充分利用中央支持地方共建项目及各类专项资金，专款专用。学校能够做到基本办学条件有保障、课堂教学设施完善、实验教学条件充足、实践教学条件配套有力、图书馆资源丰富、文体活动场所齐全。

【教师分析】

本课程主讲教师具备17年的一线教学经验，承担了自动化、机器人工程、电气工程及其自动化、电气自动化技术等专业的《自动控制系统》《交直流调速系统》《电力传动控制系统》《传动控制系统》《过程控制系统》《伺服控制技术》《传感器技术》《专业外语》《高电压直流输电》《电磁兼容原理》《计算机仿真技术》《Matlab在自动控制系统计算机辅助设计与仿真中的应用》等课程的教学工作，出版专著5部、编著1部、教材3部，发表实用新型专利4项、外观设计专利1项，近年来发表相关重要学术论文6篇，其中2篇被EI检索。

本课程主讲教师先后主持了辽宁省教育厅科研面上项目《轮式全地形移动平台高功率密度电传动控制技术的研究》、辽宁科技学院青年基金项目《多断口直流真空断路器系统稳健设计方法的研究》。

学情分析

【学生知识结构分析】

1．有利学情

授课对象为自动化专业三年级第二学期的学生，已经完成《自动控制原理》《电力电子技术》《电机及拖动基础》等专业基础课程，对控制方向的专业知识具有一定储备。

2．不利学情

先修课程由于理论性较强，知识点环环相扣，对于知识基础比较薄弱的学生，更应该注重基本概念、基本知识及基本理论的强化。教研室教师应通过积极组织集体（交叉）备课，培育教师学习共同体，探索因材施教的解决办法。

【学生认知分析】

1．有利学情

对学生进行全面了解是实现“以学生为中心”的重要原则。我们面对的群体已经是“00后”，他们收集信息的感觉和直觉功能均比较平衡，而评价信息的思维大大偏向于情感功能。社会的进步、成长环境的改变，使得这个年龄段的学生正处于人生记忆力强、创造力旺盛的黄金时期，具有求知欲强，思维活跃、知识面广，利用网络资源解决问题能力突出等的特点。鼓励学生们进行项目式学习，查阅资料、整合信息、梳理完成进行小组汇报。

2．不利学情

学生评价信息的思维、情感功能大大偏向于情感功能；自主学习能力、分析解决问题能力、理论与实践相结合能力、批判性思维有待提高。通过线上/线下混合式教学提升学生自主学习能力；师生共建课程思政建设体系，激发学生内生动力。

【学生学习风格分析】

1．有利学情

当代大学生受信息化影响，其学习风格多偏向于视觉型，比较容易接受视觉信息，将知识在大脑中组成图像和片段。开展优秀学习笔记评比，鼓励学生们做个性化学习笔记。

2．不利学情

《自动控制系统》是在大三第二学期开始学习，其内容庞大、理论深奥、环环相扣、抽象性强。学生由于理解不深刻，课后记忆不长久。而且学生的自主学习意识不强，课后拓展学习的探索性亦不足。所以，课堂上将板书与图片、动画相结合，结合生活现象，通过问题导入、案例分析等方式吸引学生注意力，可将抽象枯燥的知识变得形象生动，激发学生学习兴趣，促进学生充分联想、主动思维、学以致用，通过拓展学习，引导学生积极探究，让学生愉快地自主学习，进而提高学习效率与学习质量。

使用教材

《电力拖动自动控制系统—运动控制系统（第5版）》，阮毅、杨影、陈伯时等，北京：机械工业出版社，2016年

该书作为普通高等教育“十一五”国家级重点教材，于2003年出版，2016年修订出版第五版。该书获得上海市普通高校优秀教材一等奖、中国机械工业科学技术二等奖和全国优秀教材二等奖。

参考教材

1．《电力拖动自动控制系统（第3版）》，潘月斗等，机械工业出版社，2021年

2．《电机拖动与运动控制系统》，李宁等，高等教育出版社，2023年

3．《电力拖动自动控制系统与MATLAB仿真（第2版）》，顾春雷，清华大学出版社，2016年

授课题目

§3.2 转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析

课时

2学时

课型

R理论；£实验；£实习；£习题；£讨论；£线上自主

教学目标

教学重点

与

教学难点

【教学重点】

转速、电流反馈控制直流调速系统起动过程。

【教学难点】

1．转速、电流反馈控制直流调速系统起动三个阶段的特点；

2．调节器ASR、ACR在起动三个阶段的的状态。

【解决方法与措施】

1．教师充分做好教学设计，结合生活现象、科学故事等内容导入激发学生学习兴趣。对于难点问题课前布置预习内容，要求学生查阅相关参考书和文献初步理解。

2．课堂上教师结合引导式、启发式、类比法及案例教学法，将复杂抽象的理论知识形象化，使学生掌握重点、理解难点。

3．对于重点知识，教师可以以“布置课后作业”的形式让学生进行相关学术前沿的知识拓展，学生可以阅读教师提供的或自行寻找相关参考书籍和文献，以达到理解提升课程内容的目的。

教学内容

与

教学活动

教学内容

教师活动

学生活动

设计意图

【课前】

发布预习内容及要求

通过超星学习平台分享学习资源（电子书、视频）。

在超星学习平台讨论区交流学习心得。

使学生复习本次课需要的先修知识点；

提前了解本节课程内容。

案例导入

1．对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素；

2．在起动过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加速度运行；

3．当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。

认真听课，抓住要点适当记笔记；

保持良好听课状态，积极回答老师提问，热情参与互动。

问题：恒加速过程，最终以什么形式达到所要求的性能指标？

问题：带电流截止负反馈系统为什么无法实现此要求？

通过案例引出课程，提出问题，能否实现所期望的恒加速过程，最终以时间最优的形式达到所要求的性能指标，是设置双闭环控制的一个重要的追求目标。

一、转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型

1. 动态结构图

2. 动态数学模型

结合动态结构图讲解转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型。

★课程思政融入点：系统评价中稳态性能指标与动态性能指标缺一不可，不能偏废，引导学生全面发展，可以举例考研总分与各科小分的关系。

认真听课，抓住要点适当记笔记；

保持良好听课状态，积极回答老师提问，热情参与互动。

问题：动态模型调节器与稳态模型不同的原因？

问题：稳态模型与动态模型的异同点？

使学生能够掌握“双闭环系统”各环节组成；

各环节的输入输出关系；

稳态模型与动态模型的异同点。

二、转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析

1. 起动过程分析

第Ⅰ阶段：

电流上升阶段

ASR很快进入饱和状态，而ACR一般不饱和。

认真听课，抓住要点适当记笔记；

保持良好听课状态，积极回答老师提问，热情参与互动。

问题：为什么当

I_d < I_dL时，电机不动？

使学生能够理解双闭环系统“电流上升阶段”转速及电流波形依据，注意两个调节器在此阶段的状态及原因。

第Ⅱ阶段：

恒流升速阶段

ASR调节器始终保持在饱和状态，转速环仍相当于开环工作。

系统表现为使用PI调节器的电流闭环控制。

认真听课，抓住要点适当记笔记；

保持良好听课状态，积极回答老师提问，热情参与互动。

问题：为什么稳定后I_d略低于I_dm？

学生能够理解双闭环系统“恒流升速阶段”转速及电流波形依据，注意两个调节器在此阶段的状态及原因。

第Ⅲ阶段：

转速调节阶段

在第Ⅲ阶段中，ASR和ACR都不饱和，电流内环是一个电流随动子系统。

认真听课，抓住要点适当记笔记；

保持良好听课状态，积极回答老师提问，热情参与互动。

问题：为什么n在上升I_d却在下降？

学生能够理解双闭环系统“转速调节阶段”转速及电流波形依据。

2. 双闭环直流调速系统的起动过程三个特点

1．饱和非线性控制；

2．转速超调；

3．准时间最优控制。

★课程思政融入点：古时有班超投笔从戎为国建功，近代鲁迅弃医从文为的是（文学）救国，而钟兆林（中国电机之父）弃美回国为的是（科学）报国。

认真听课，抓住要点适当记笔记；

保持良好听课状态，积极回答老师提问，热情参与互动。

学生能够理解双闭环系统起动过程三个特点以及原因。

课堂小结

1．结合板书对本次课重点内容进行回顾，总结提炼要点。

2．布置作业，安排下节课预习内容，锻炼自主学习能力，拓展知识。

反思、查缺补漏。预习下节课内容。

检验学生的学习效果，帮助学生构建知识体系。

【教学流程图】

【课后】

给出形成性成绩

（平时成绩）

课堂考评：

1．出勤情况、听课纪律情况、课堂提问情况（主动回答问题及被动点名），课堂讨论情况等；

2．教学过程中随堂考核（超星平台自建课程习题库随机抽取）。

实验考评：

本章内容包含4学时实验《双闭环不可逆直流调速系统》。

课程思政考评：

根据大纲要求在实验报告中体现。

作业考评：

本节课布置“思考题”“练习题”。

笔记考评：

本节课记录知识要点情况。

（以上评分具体标准见本课程教学大纲）

激发学生的学习热情、求知欲望，及时调整学习方法，促进学生不断进步。

教学反馈有利于教师改进教学方法，提高教学效率及质量。

【课后】

个性化自主拓展性学习

1．针对学有余力的学生

鼓励学生通过借助图书馆文献资料、网络资源等方式，进一步学习其他调速系统的相关知识，了解最新研究成果，参与相关的社会实践，鼓励创新性实验设计，在仿真软件上搭建系统通过调整参数得到一个理想的起动波形。

2．针对需要帮助的学生

复习本章相关基本知识，强化基本理论，借助超星在线教学平台，课后继续进行线上自主学习，对学生提出的问题进行讲解，帮助学生进一步掌握基本知识。选取学生课代表，及时反馈教学意见，调整授课方式，提高教学效果。

超星平台自建课程

网络精品课程

跨校修学分课程

超星自建课程习题库

【参考文献】

[1] 基于MATLAB GUI和AVR单片机的直流电机调速系统的设计[J]．魏肇辉．湘南学院学报．2019

[2] 直流电动机拖动系统的电气调速方法分析[J]．陈良．现代盐化工．2023

[3] 基于MATLAB的直流调速系统的仿真研究[J]．孙渤．变频器世界．2021

【其他优质网络资源】

[1] 哈尔滨工业大学—电气传动自动控制系统

https://www.bilibili.com/video/BV1b7411s7as?from=search&seid=3395871576575884592

[2] 西安交通大学—电力拖动自动控制系统

https://www.bilibili.com/video/BV1JW411W7K1?from=search&seid=3395871576575884592

[3] 中国石油大学（华东）—电力拖动自动控制系统

https://www.bilibili.com/video/BV1MK411j7zz?from=search&seid=3395871576575884592

教学工具

选择

和

使用方法

本节课以多媒体课件（PPT）为主，结合板书书写。针对本单元教学内容，多媒体中插入适量图片与动画，图文结合，能够直观、清晰的展示抽象的内容，激发学生的学习兴趣，吸引学生注意力，便于理解和记忆。

线上教学采用超星在线教学平台进行线上互动。

【板书】

教学反思

与

自我评价

【教学实施情况小结】

本节课需要重点掌握转速、电流反馈控制直流调速系统起动过程三个阶段的特点以及调节器ASR、ACR的状态，要求能够解决双闭环直流调速系统在实际应用中可能出现的问题及处理原则。

教学内容采用多种教学方法及动画演示相结合的方式将抽象知识形象化，激发学生学习兴趣，便于学生对基本理论及基本知识的理解与记忆；将教学内容与具体案例分析相联系并提出问题，以问题为线索，环环相扣，锻炼同学们举一反三，提高分析解决问题的能力，培养学生学思结合，学以致用的能力以及培养学生对工作精益求精的态度及高度责任感。

本节课的教学内容与实际生活关系密切，讲授过程中以问题为线索，层层深入，学思结合，学以致用。这种教学模式，能引导学生深入思考，加深学生对问题的理解。教学重点在于培养学生对基本知识及基本理论的理解能力及应用分析能力。

【教学的反思与改进】

以往教学往往采取以教师为主体的传统教学方式授课，学生学习积极性难以调动起来，常常注意力不集中，难以真正理解教学内容，教学效果往往不理想。故本单元教学重在结合生活现象，进行理论联系实际，突出学生的主体地位，教师重在引导，注重情感投入，师生之间积极互动，营造良好的教学氛围，收到良好的教学效果。

教学改革

1．教育理念的更新

（1）以“人才培养”为使命，注重以“学生为主体”理念，充分发挥教师的引导作用，注重教学过程中激发学生学习兴趣、提高自主学习能力，加强逻辑分析能力及解决问题能力，加强创新精神及创新能力的培养；

（2）牢记“立德树人”的初心，加强课程思政建设。

2．教学方法的选择

改变传统“注入式教学法”，本单元教学采用“线上、线下混合式教学”，以问题为中心，结合引导式、启发式、类比法及案例教学法，激发学生对问题的思考及对新知识点的求知欲望，从而最大限度的集中学生的注意力，并通过师生恰当互动，达到良好的教学效果。

增加拓展学习，让掌握了基本知识、基本理论后仍有余力的学生进一步开拓思维，了解学术前沿，使学习内容在更广阔的背景上获得全方位的充实和增加，这将与时俱进，更好地适应社会发展的趋势，也能极大地满足学生求知欲的需要。让学生从已有的生活经验出发，亲自接触最实际的问题，亲身经历发现和解决实际问题的过程，并将实际问题抽象成知识模型，进而借助已经掌握的学科知识和能力，对知识模型问题进行解释和解决，将知识转化为能力；在学习的方法上，让学生实质上拥有自主权，可以合作学习，也可以独立思考，还可以实验或模拟，使得学生的学习生活化、信息化、实践化，总体上拓宽了学习的方式、内容和方法，有利于增强学生学习兴趣，强化学习手段，充实学习方法，提高学习效率，最终能拓宽学生的知识面，提高学生分析解决问题的能力，实现学生身心素质的全面发展。

【附】本课程

教学实施

效果评价

课程全部结束后，对本轮教学实施效果进行评测

【教学效果评价】

1．教师评价

评价主体是教师。以课堂互动、课堂提问的形式，做出即时性评价。授课过程中，通过学生学习态度，回答问题积极性、准确程度，课后复习思考题及拓展学习完成情况评价学生是否达到阶段性学习目标。通过形成性成绩评价，可以及时反馈教学过程中存在的问题，并予以整改与提高。

2．学生评价

评价主体是学生，包括学生对教师、学生自评和互评。学生对教师的评价有利于反馈教学中存在的不足与不当，对于教师提高教学效率及教学质量至关重要。学生对自己和对方的学习态度、方法、效果进行反思和评价，学会分析自己的优势与不足，以激发学生对自己的学习负责，养成自主学习习惯。

【调查问卷】