“自动控制原理”课程的改革与实践
摘要:“自动控制原理”作为一门专业基础课,其教学质量直接影响学生对专业课的学习。

本文结合实际,通过总结教学实践中的一些做法及体会,对自动控制原理课程从课程体系与教学内容、思路、方法以及手段等方面进行探讨,以激发学生的学习兴趣,培养学生分析问题、解决问题的能力,提高这门课程的教学效果,。

关键词: 自动控制原理教学改革与实践
“自动控制原理”是自动化专业的核心课程,其理论性和工程实践性均较强,还具有概念抽象及分析方法多、与数学联系紧密、理论和实践联系密切及结合难等特点[ 1,2 ]。

由于这些教学难点,使得自动控制原理课程教学存在着诸如学生普遍认为自动控制原理课程学起来很困难,学生对于实践环节的认识和重视度不高或某些试验环节与理论脱节等问题。

为此,我们更新观念,从课程体系与教学内容、教学思路、方法以及手段等方面进行改革实践,以调动教学双方的积极性,提高教学质量。

一、优化课程体系和教学内容
研究自动控制原理的课程体系,国内高校的教学多数按照先经典后现代来分开讲授。

我校根据目前的教学水平和生源状况,自动控制原理和现代控制理论两门课程仍然分开讲授,但在教学体系上则力图将其内容融合起来。

在对概念和理论方法进行讲解的同时不断地交待和渗透经典控制和现代控制在此方面的区别和联系。

这样,我们在教学初期就将经典控制和现代控制的部分有机结合,并以此贯穿于课程教学全过程之中。

授课内容上,对教材和教学内容加以重组和优化,以系统建模、系统分析、系统设计为重点,突出控制系统分析和设计的共性规律和基本方法,整合教学内容、优化教学体系,与控制理论教学的发展相适应。

在具体内容讲解中注意以下方面:在加强对几种数学模型进行介绍的同时注意各模型间的联系与转化;重点讲授一阶和二阶系统的时域响应、暂态性能计算,对三阶及以上系统引入Matlab软件分析其暂态性能;重点讲解频率特性的概念、几种图形表示方法,奈奎斯特稳定判据、稳定裕度的概念和计算等;重点讲解线性系统校正的概念、意义,超前校正、滞后校正、滞后超前校正的Bode图法,结合工程实际阐述PID控制器工作原理;重点介绍非线性系统的概念、特点和基本方法;详细分析采样系统和连续系统的异同,重点讲授采样定理和保持器等采样系统具有个性的内容。

二、改革教学思路和教学方法
抽象严谨是自动控制原理课程的本质属性,因此我们在教学实践中以保证控制理论内容的严谨性和系统性为前提,淡化繁杂的数学推导,着重解释推导的思路,重点强调结论的正确内涵和直观的物理意义,突出问题的背景和提法,以更少的学时开设了数学建模课程。

理论阐述上严谨、简练和易懂,并通过例题和习题来巩
固学习内容。

在课程讲授中注意理论和方法间的联系。

有些理论和方法分布在不同的章节,我们在授课时将它们联系起来,指出产生的背景和特点等。

比如在讲解系统稳定性时,先介绍李雅普诺夫稳定性定义及系统稳定性的意义,再讲解判断系统稳定性的方法:劳思的系统稳定性代数判据、伊文思的根轨迹图形法、奈奎斯特稳定判据、非线性系统采用描述函数和相平面法来判断系统的稳定性等。

在教学方法的实践中,我们根据教学计划在“Matlab语言及应用”、“自动控制原理”、“计算机控制技术”和“现代控制理论”等课程之间合理安排教学内容。

其中,“Matlab语言及应用”主要讲授基本理论,及其在控制领域应用的内容。

“自动控制原理”是电气工程及其自动化专业的必修课,理论性强,因此我们在设计课程内容上与“Matlab语言及应用”结合起来,用Matlab处理系统数学模型,应用于时域分析、根轨迹分析、频域分析以及系统校正与设计等各章节。

这样,利于学生加深对理论知识点的理解和巩固,同时还利用了Matlab对系统的设计进行仿真。

“计算机控制技术”以自动控制理论与计算机技术为基础,重点是计算机控制系统的应用,联系实际讨论软、硬件实现方法,并了解其分析方法。

“现代控制理论”主要包括对控制系统状态的分析与综合,为学习大系统理论和智能控制理论打下基础。

通过对这些理论知识与实际工程应用的讲授与讨论,努力形成一个系统、阶梯性的课程体系,帮助学生面深入理解基础理论,融合交叉学科之间的内容,形成运用所学理论解决实际的工程问题的能力。

三、综合利用教学手段提高教学效果
微分方程、传递函数、方框图、根轨迹及Bode图等数学模型在自动控制原理课程中非常重要,比如说通过根轨迹图,可以直观地了解到闭环极点随K值的变化情况和控制系统的动态性能;通过控制系统的Bode图,可以得出系统中的数量关系以及系统性能的优劣程度。

因此我们重视代数、几何描述的关系及其变换,通过对这些内容的讲授以引导学生的思考,教会学生利用数学工具,将实际问题与抽象描述结合起来,解决问题。

为加强师生的沟通,我们在课后充分利用网络教学平台辅助教学,提高对平台的利用效率。

教师把各章节的内容发布到网络教学平台,可以帮助学生补充和完善课堂笔记,使学生能够准确把握教学要点,从而加强对重点、难点知识的理解;同时,可以通过网络在平台上完成答疑和作业安排等事项来作为课堂教学的补充,加强了师生互动。

为激发学生的学习主动性,我们认真制作各科课件。

课件制作的风格形式与教学风格保持一致,通过这样的课件,可以达到分解知识的复杂度,减少信息在大脑中形成、抽象、形象的加工转换过程,进而充分传达教学意图的目的。

四、理论教学与实践教学相结合
自动控制原理课程的理论性与实践性均较强,由于该课程是以解决生产中的各种控制问题为目的,所以具有很强的工程背景和工程意义。

而不能非常好的结
合实际操作一直是教学实践的一个问题。

因此我们在教学方法上注意课堂教学与实践教学的密切结合,注意物理意义的阐述,使理论与工程实践紧密联系,培养学生既具有灵活的思维能力又具有解决实际问题的综合设计能力。

在教学过程中,我们采用了多种实践形式:安排学生到工厂和科研单位参观,帮助学生在学习之前体验实际的系统与控制,对此课程有一个感性的认识;加强实验课,在教学内容的安排上,随着课程进度,同步穿插安排实验课;提高实验条件,开设虚拟实验与计算机辅助设计,使学生使用计算机进行模拟及仿真、验证控制理论,掌握系统分析、设计的一般过程;开设综合设计实验,使学生了解控制理论的最新发展。

以上充分利用实验室资源,在教学中通过亲身体会讲授和交流,可以弥补理论教学的不足,挖掘学生的潜力,加强学生的技能培养,整体上提高教学效果。

总之,“自动控制原理”课程,教师必须要不断学习教育理论、积极研究教学方法、在教学实践中探索改进教学手段,使抽象的系统理论形象化。

通过改革实践调动学生的学习热情,使学生在学习中不再是被动式的,而是主动、创新式的学习。

培养学生的工程意识,使学生能够主动学习、思考和共同探讨问题并积极解决问题。

从而提高了学生的理论应用能力、理论联系实践的能力以及运用基本理论知识解决问题的能力。

参考文献:
[1]吴晓蓓“自动控制原理”课程讲授的几个要点[J]。

北京:中国大学教学,2005,(9)。

[2]曲延滨“现代控制理论”课程教学改革实践[J]。

上海:实验室研究与探索,2005,增刊。