《自動(dòng)控制原理》理論課程教學(xué)改革與實(shí)踐

◆張 炯 王 鑫 鄭燦香

(哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院)

一、引言

自動(dòng)控制原理課程是控制類和電子信息類專業(yè)的主要專業(yè)基礎(chǔ)課之一，通過對(duì)控制理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念和系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)的基本方法，初步掌握系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技能，學(xué)會(huì)運(yùn)用MATLAB進(jìn)行輔助分析設(shè)計(jì)的方法，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和進(jìn)一步深造打下必要的理論基礎(chǔ)，該課程對(duì)學(xué)生建立系統(tǒng)和工程的概念具有十分重要的意義。自動(dòng)控制原理是一門集理論性、實(shí)踐性、綜合性于一體的課程，有一定的深度和學(xué)習(xí)難度，在學(xué)習(xí)過程中容易感到枯燥乏味，傳統(tǒng)的教師講授型教學(xué)方式，以教師授課為主，師生互動(dòng)較少;基本概念、基本原理闡述多，理論與實(shí)踐脫節(jié)，學(xué)生難以理解。為了促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高，對(duì)該課程進(jìn)行教學(xué)改革是十分必要的。

二、自動(dòng)控制原理教學(xué)中的幾點(diǎn)體會(huì)

1.改革課程體系，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)質(zhì)量

自動(dòng)控制原理是一門理論性和綜合性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，要求學(xué)生具有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)和較強(qiáng)的計(jì)算能力，導(dǎo)致學(xué)習(xí)過程相對(duì)困難。再加上課程在教學(xué)過程中，內(nèi)容多學(xué)時(shí)少的矛盾也較為突出，所以精選課程內(nèi)容，改革課程體系就是首當(dāng)其沖必須完成的。應(yīng)對(duì)理論性過強(qiáng)和目前工程實(shí)際中較少使用的內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和刪減，做到精選課程內(nèi)容，突出重點(diǎn)。本課程的重點(diǎn)是線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模、性能分析與綜合校正。課程的難點(diǎn)是性能分析與綜合校正。在教學(xué)過程中，應(yīng)當(dāng)突出重點(diǎn)和化解難點(diǎn)，在教學(xué)過程中以建模、分析和綜合為貫穿全課程的主線，進(jìn)而展開教學(xué)，使學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，做到舉一反三，從而對(duì)自動(dòng)控制理論有一個(gè)完整清晰的理解。

針對(duì)理論性較強(qiáng)的內(nèi)容，在教學(xué)過程中淡化推導(dǎo)，淡化具體的計(jì)算過程，強(qiáng)化定性分析和認(rèn)識(shí)。以具體工程實(shí)例為出發(fā)點(diǎn)，通過恰當(dāng)?shù)呐e例，把抽象問題具體化，便于學(xué)生對(duì)抽象概念的理解，讓學(xué)生不再認(rèn)為是在學(xué)習(xí)一門純理論的課程，而是一門工程實(shí)踐課程，消除對(duì)課程的恐懼感，增加學(xué)習(xí)的興趣。比如，控制理論中反饋是一個(gè)非常重要的概念，在講到開環(huán)和閉環(huán)時(shí)，可以用生活中實(shí)例來說明，一臺(tái)真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)如果能檢查衣物是否洗凈，并在洗凈之后能自動(dòng)切斷電源的功能，它就是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2.多種教學(xué)方法相結(jié)合，提升教學(xué)手段

自動(dòng)控制原理課程理論性強(qiáng)，內(nèi)容抽象，并且計(jì)算內(nèi)容非常多，在分析的過程中還大量使用圖表，如果用傳統(tǒng)的板書式教學(xué)，會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間在公式推導(dǎo)和曲線繪制上。而多媒體教學(xué)可以在繪圖的準(zhǔn)確性和快速性方面有較大提高，還有助于學(xué)生對(duì)抽象知識(shí)的理解。在教學(xué)中以多媒體教學(xué)為主，對(duì)于一些重點(diǎn)難點(diǎn)適當(dāng)?shù)妮o以板書，同時(shí)加強(qiáng)課堂互動(dòng)，提高教學(xué)效果。

自動(dòng)控制原理是來源于控制實(shí)踐的理論課程，在學(xué)習(xí)系統(tǒng)分析和綜合校正的過程中，計(jì)算量很大，分析過程繁瑣，學(xué)生理解起來比較困難。MATLAB軟件功能強(qiáng)大，具有先進(jìn)的視覺化功能，是一種強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算語言。特別是研究系統(tǒng)中某個(gè)參數(shù)或環(huán)節(jié)變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響，可以很直觀的通過MATLAB展現(xiàn)出來。例如，已知一偵察車速度控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為，要求是用頻率響應(yīng)法選擇系統(tǒng)增益K，使偵察車速度控制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)有較小的穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)量。根據(jù)勞思穩(wěn)定判據(jù)可知:使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的K值范圍為K＞0。可將系統(tǒng)近似為振蕩二階系統(tǒng)，取不同K，通過用MATLAB編程，可繪制出系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線如圖所示

綜合考慮圖中結(jié)果，以取K=10時(shí)系統(tǒng)的各方面性能較好。

在教學(xué)過程中發(fā)揮MATLAB在自動(dòng)控制原理教學(xué)中的應(yīng)用，使學(xué)生在此過程中可以即時(shí)觀察分析結(jié)論，以加深對(duì)課程本質(zhì)的理解，全面掌握所學(xué)內(nèi)容。

3.重視實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力

實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅是對(duì)理論知識(shí)的驗(yàn)證，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新精神和能力的重要途徑。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程主要是利用實(shí)驗(yàn)箱做一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果受各方面影響很大，不利于學(xué)生理解和認(rèn)識(shí)。利用MATLAB軟件的SIMULINK仿真平臺(tái)作仿真實(shí)驗(yàn)，能很好解決物理實(shí)驗(yàn)的不足，加深對(duì)課程知識(shí)的理解，還可以將實(shí)驗(yàn)延伸到課外進(jìn)行。學(xué)生根據(jù)個(gè)人情況自主選擇難度等級(jí)不同的實(shí)驗(yàn)，根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，獨(dú)立完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)搭建和調(diào)試，記錄原始數(shù)據(jù)和圖形，寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。不僅調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，鞏固了課程理論，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，還培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力，使其觀察、分析和解決問題的能力都有很大的提高。對(duì)于鞏固和應(yīng)用所學(xué)知識(shí)，提高實(shí)踐能力，把理論和實(shí)踐很好的結(jié)合起來有著重要的意義。

三、結(jié)束語

隨著自動(dòng)化技術(shù)在生產(chǎn)和生活中的廣泛而深入的應(yīng)用，自動(dòng)控制原理作為一門具有“方法論”特點(diǎn)的課程也越發(fā)得到重視。實(shí)踐表明，通過以上對(duì)自動(dòng)控制理論課程的從教學(xué)內(nèi)容、方法及形式、教材建設(shè)、實(shí)踐教學(xué)等方面進(jìn)行的全方位、多層次的改革探索和實(shí)踐，尤其是將MATLAB引入到課程教學(xué)中，很好地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力，取得了良好的教學(xué)效果。

［1］黃堅(jiān).自動(dòng)控制原理及其應(yīng)用［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［2］鄭明方.自動(dòng)控制理論課程的教學(xué)改革與實(shí)踐［J］.江蘇上業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，(6):55-56.

［3］李軍紅，陽武嬌，鐘催林.自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革的實(shí)踐與探討［J］.中國教育.