自動控制原理教學體系構建的探究

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自動控制原理教學體系構建的探究

　　摘要：針對自動控制原理的教學，在課程內(nèi)容和教學體系方面提出一系列改革的措施和方法。首先，以系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析和綜合設計為課程主線強調(diào)工程背景;其次，結(jié)合控制理論的發(fā)展更新教學內(nèi)容;最后，以培養(yǎng)高素質(zhì)實踐性人才為目標構建課程體系。并將這些改革措施應用于我校控制類專業(yè)的實際教學工作中，實踐證明，改革后的自動控制原理教學體系更適合以培養(yǎng)高素質(zhì)應用型人才為目標的西北工業(yè)大學明德學院。

自動控制原理教學體系構建的探究

　　關鍵詞：自動控制原理教學改革教學體系

　　自動控制原理是自動化專業(yè)、測控技術及儀器專業(yè)、機械設計及其自動化專業(yè)等專業(yè)的專業(yè)基礎課程。自動控制原理是一門理論與實踐并重，工程性、綜合性、方法性、實踐性很強的課程。從優(yōu)化課程設置總體的角度出發(fā)，為了恰當?shù)亟鉀Q好“基礎與應用”、“理論與實踐”、“重點內(nèi)容與知識面”等矛盾，使自動控制原理系列課程內(nèi)容體系具有系統(tǒng)性、科學性、先進性、實用性。我們對課程體系進行了改革，確立了以系統(tǒng)分析、系統(tǒng)建模、系統(tǒng)綜合為自動控制原理課程的主線，構建了由時域分析、復域分析、頻域分析、系統(tǒng)校正4個模塊構成的知識體系。

　　對教學內(nèi)容改革，以突出控制理論的物理概念及工程背景，淡化數(shù)學證明為原則，在現(xiàn)有的基礎上，繼續(xù)整合、優(yōu)化課程內(nèi)容，進一步明確課程體系結(jié)構、組織方式，理順本課程和相關課程的知識聯(lián)系，注重突出工業(yè)控制特色，體現(xiàn)控制理論在工業(yè)控制中的應用。通過講座的形式向?qū)W生介紹自動控制發(fā)展的最新動向、最新技術，彌補課堂教學時數(shù)的限制與教材的滯后。

　　一、以系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析和綜合設計為課程主線強調(diào)工程背景

　　自動控制原理是一門理論性、實踐性和綜合性強的課程，內(nèi)容多，概念抽象，涉及面廣，學生普遍感到有一定的難度。如何在有限的課時內(nèi)讓學生熟練掌握控制理論的基礎原理，加強能力的培養(yǎng)，成為本課程改革的關鍵。我們團隊的教學思路是：從課程的體系出發(fā)，以系統(tǒng)建模―系統(tǒng)分析―綜合設計作為課程主線，強調(diào)工業(yè)控制背景，突出實際應用能力的培養(yǎng)。

　　數(shù)學模型是描述系統(tǒng)內(nèi)部各物理量(或變量)之間關系的數(shù)學表達式，建立一個合理的模型是系統(tǒng)分析和設計的前提。在講述這部分的內(nèi)容時，注意選取有一定工程背景的系統(tǒng)，講清楚模型參數(shù)的物理意義，使得學生正確理解實際模型與抽象數(shù)學模型的區(qū)別和聯(lián)系。從不同的角度對系統(tǒng)進行建模，有助于學生加深對這方面內(nèi)容的理解。例如對于自動化類專業(yè)的學生可用電機調(diào)速系統(tǒng)為例，通過建立它的微分方程、傳遞函數(shù)、結(jié)構圖、信號流圖這些不同的數(shù)學模型，來建立各模型的聯(lián)系。

　　系統(tǒng)分析方法是控制系統(tǒng)綜合設計的基礎，這部分的內(nèi)容主要包括時域法、根軌跡法、頻域響應法，是控制理論教學的重點。在控制系統(tǒng)中，穩(wěn)定性、快速性和準確性是對控制系統(tǒng)的基本要求，也是衡量系統(tǒng)性能的重要指標，控制系統(tǒng)不同的分析問題方法都是緊緊圍繞這三個方面展開的。只要抓住這個特點，就抓住了系統(tǒng)分析的關鍵，有助于學生加深對不同方法的理解。系統(tǒng)設計是綜合利用理論知識使系統(tǒng)的性能指標全面滿足要求的過程，對培養(yǎng)學生的分析、綜合能力及創(chuàng)新能力十分重要，也是教學的難點。我們的做法是：選取控制工程中的典型范例，突出工程背景，從實際控制系統(tǒng)中去了解系統(tǒng)的結(jié)構特征、工作原理和設計要求，拓寬學生的視野，激發(fā)他們的創(chuàng)新欲望。例如以工業(yè)控制中最常見的直流電機轉(zhuǎn)速控制為例，要求學生應用系統(tǒng)辨識的方法求數(shù)學模型后，根據(jù)性能指標設計控制器，達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。這些生動的工程實例大大激發(fā)了學生的興趣，使學生感受到了控制理論的魅力，深刻理解了“學以致用”意義，在分析問題、解決問題的過程中，使課程的學習達到知識和能力兩方面的目標。

　　二、結(jié)合控制理論的發(fā)展更新教學內(nèi)容

　　近年來，控制理論得到了蓬勃發(fā)展，特別在非線性控制、分布參數(shù)控制、魯棒控制、自適應控制、智能控制等方向上取得了重要進展。這就要求教師對本學科發(fā)展有一個較好的把握，注意處理好經(jīng)典的基本理論和新技術的關系，從中選取一些比較符合課程要求的理論知識，在講課過程中及時介紹給學生，以保持課程內(nèi)容的先進性。例如每章結(jié)束后都會留出一定的時間，介紹本學科的發(fā)展動態(tài)，這種方法擴大了學生的知識面，培養(yǎng)了他們探索科學技術的興趣，深受同學們的歡迎。

　　隨著電力、電子、控制技術、通訊及信息技術等的不斷發(fā)展，工業(yè)控制的自動化程度大大地提高。新一代大功率半導體電力電子器件，在材料、理論、機理、制造工藝和應用技術等方面的研究開發(fā)，取得了突破性的進展，過程控制設備進一步向高可靠、節(jié)能型方向發(fā)展;可編程序控制器和單片機已逐漸發(fā)展成為工業(yè)控制中的一種普遍控制方式。自動控制原理課程雖然是電專業(yè)的基礎專業(yè)課程，但是一般學時安排也不十分充裕。要想在有限的時間內(nèi)把這門理論性和工程應用性都很強的課程教好，必須針對不同專業(yè)合理組織教學內(nèi)容。必須以課程教學大綱為依托，根據(jù)專業(yè)的特點和實際需要，重點講授基本概念、基本原理和基本方法。另外，通過講座的形式向?qū)W生介紹自動控制發(fā)展的最新動向、最新技術，彌補課堂教學時數(shù)的限制和教材的滯后，每屆學生安排1-2次主題為“先進控制理論與應用”的講座。

　　三、以培養(yǎng)高素質(zhì)實踐性人才為目標構建課程體系

　　自動控制原理課程理論性、實踐性和綜合性都很強，涉及到多學科的交叉，以培養(yǎng)高素質(zhì)實踐性人才為目標通過改革，建立新的自動控制課程體系。在教學過程中，把自動控制、計算機技術、電子技術和傳感器技術有機地融為一體，使學生對控制系統(tǒng)的組成、分析、設計、綜合等各個環(huán)節(jié)及系統(tǒng)概念有全面的理解，并通過一系列的實踐環(huán)節(jié)，如綜合實驗和課程設計，培養(yǎng)學生的綜合實踐能力。自動控制系統(tǒng)綜合解析圖如圖1所示。

　　圖1 自動控制系統(tǒng)綜合解析圖

　　自動控制原理課程確立以系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)綜合(校正)為自動控制原理課程的主線，構建由時域分析、復域分析、頻域分析為基礎，連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)為對象的的知識體系。自動控制原理知識體系如圖2所示。

　　圖2 自動控制原理知識體系

　　理論教學主要任務是保證學生對基礎理論的獲取和形成良好的知識結(jié)構，而實踐環(huán)節(jié)則是把培養(yǎng)學生的實驗技能、設計能力和創(chuàng)新能力放在首位。根據(jù)不同專業(yè)學生的特點，我們把實驗體系分為三個體系：基礎性實驗、設計性實驗及綜合性實驗。實驗內(nèi)容也進行了改革，密切結(jié)合計算機應用和專業(yè)課程的特點，利用仿真語言MATLAB的強大功能，使學生在系統(tǒng)分析、設計、校正和調(diào)試能力方面有很大提高，調(diào)動了學生的積極性，鍛煉了學生的能力。

　　四、結(jié)語

　　自動控制原理是控制類專業(yè)的一門基于實踐的專業(yè)基礎課，是廣大學生學習專業(yè)知識的基礎，我院越來越重視此類課程的教學改革，經(jīng)過自動控制原理課程組全體教師多年的努力，積極開展了自動控制課程體系和教學內(nèi)容改革，使得課程教學質(zhì)量不斷提升。

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