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自動(dòng)控制原理教學(xué)體系構(gòu)建的探究
摘要：針對(duì)自動(dòng)控制原理的教學(xué)，在課程內(nèi)容和教學(xué)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(shè)計(jì)為課程主線(xiàn)強(qiáng)調(diào)工程背景;其次，結(jié)合控制理論的發(fā)展更新教學(xué)內(nèi)容;最后，以培養(yǎng)高素質(zhì)實(shí)踐性人才為目標(biāo)構(gòu)建課程體系。并將這些改革措施應(yīng)用于我校控制類(lèi)專(zhuān)業(yè)的實(shí)際教學(xué)工作中，實(shí)踐證明，改革后的自動(dòng)控制原理教學(xué)體系更適合以培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理 教學(xué)改革 教學(xué)體系
自動(dòng)控制原理是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)、測(cè)控技術(shù)及儀器專(zhuān)業(yè)、機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)等專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。自動(dòng)控制原理是一門(mén)理論與實(shí)踐并重，工程性、綜合性、方法性、實(shí)踐性很強(qiáng)的課程。從優(yōu)化課程設(shè)置總體的角度出發(fā)，為了恰當(dāng)?shù)亟鉀Q好“基礎(chǔ)與應(yīng)用”、“理論與實(shí)踐”、“重點(diǎn)內(nèi)容與知識(shí)面”等矛盾，使自動(dòng)控制原理系列課程內(nèi)容體系具有系統(tǒng)性、科學(xué)性、先進(jìn)性、實(shí)用性。我們對(duì)課程體系進(jìn)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(dòng)控制原理課程的主線(xiàn)，構(gòu)建了由時(shí)域分析、復(fù)域分析、頻域分析、系統(tǒng)校正4個(gè)模塊構(gòu)成的知識(shí)體系。
對(duì)教學(xué)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(xué)證明為原則，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，繼續(xù)整合、優(yōu)化課程內(nèi)容，進(jìn)一步明確課程體系結(jié)構(gòu)、組織方式，理順本課程和相關(guān)課程的知識(shí)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(yīng)用。通過(guò)講座的形式向?qū)W生介紹自動(dòng)控制發(fā)展的最新動(dòng)向、最新技術(shù)，彌補(bǔ)課堂教學(xué)時(shí)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(shè)計(jì)為課程主線(xiàn)強(qiáng)調(diào)工程背景
自動(dòng)控制原理是一門(mén)理論性、實(shí)踐性和綜合性強(qiáng)的課程，內(nèi)容多，概念抽象，涉及面廣，學(xué)生普遍感到有一定的難度。如何在有限的課時(shí)內(nèi)讓學(xué)生熟練掌握控制理論的基礎(chǔ)原理，加強(qiáng)能力的培養(yǎng)，成為本課程改革的關(guān)鍵。我們團(tuán)隊(duì)的教學(xué)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(shè)計(jì)作為課程主線(xiàn)，強(qiáng)調(diào)工業(yè)控制背景，突出實(shí)際應(yīng)用能力的培養(yǎng)。
數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)內(nèi)部各物理量(或變量)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，建立一個(gè)合理的模型是系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的前提。在講述這部分的內(nèi)容時(shí)，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(xué)生正確理解實(shí)際模型與抽象數(shù)學(xué)模型的區(qū)別和聯(lián)系。從不同的角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，有助于學(xué)生加深對(duì)這方面內(nèi)容的理解。例如對(duì)于自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生可用電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為例，通過(guò)建立它的微分方程、傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖、信號(hào)流圖這些不同的數(shù)學(xué)模型，來(lái)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(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，這部分的內(nèi)容主要包括時(shí)域法、根軌跡法、頻域響應(yīng)法，是控制理論教學(xué)的重點(diǎn)。在控制系統(tǒng)中，穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性是對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求，也是衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，控制系統(tǒng)不同的分析問(wèn)題方法都是緊緊圍繞這三個(gè)方面展開(kāi)的。只要抓住這個(gè)特點(diǎn)，就抓住了系統(tǒng)分析的關(guān)鍵，有助于學(xué)生加深對(duì)不同方法的理解。系統(tǒng)設(shè)計(jì)是綜合利用理論知識(shí)使系統(tǒng)的性能指標(biāo)全面滿(mǎn)足要求的過(guò)程，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的分析、綜合能力及創(chuàng)新能力十分重要，也是教學(xué)的難點(diǎn)。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(shí)際控制系統(tǒng)中去了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征、工作原理和設(shè)計(jì)要求，拓寬學(xué)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(jiàn)的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制為例，要求學(xué)生應(yīng)用系統(tǒng)辨識(shí)的方法求數(shù)學(xué)模型后，根據(jù)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)控制器，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。這些生動(dòng)的工程實(shí)例大大激發(fā)了學(xué)生的興趣，使學(xué)生感受到了控制理論的魅力，深刻理解了“學(xué)以致用”意義，在分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程中，使課程的學(xué)習(xí)達(dá)到知識(shí)和能力兩方面的目標(biāo)。
二、結(jié)合控制理論的發(fā)展更新教學(xué)內(nèi)容
近年來(lái)，控制理論得到了蓬勃發(fā)展，特別在非線(xiàn)性控制、分布參數(shù)控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制、智能控制等方向上取得了重要進(jìn)展。這就要求教師對(duì)本學(xué)科發(fā)展有一個(gè)較好的把握，注意處理好經(jīng)典的基本理論和新技術(shù)的關(guān)系，從中選取一些比較符合課程要求的理論知識(shí)，在講課過(guò)程中及時(shí)介紹給學(xué)生，以保持課程內(nèi)容的先進(jìn)性。例如每章結(jié)束后都會(huì)留出一定的時(shí)間，介紹本學(xué)科的發(fā)展動(dòng)態(tài)，這種方法擴(kuò)大了學(xué)生的知識(shí)面，培養(yǎng)了他們探索科學(xué)技術(shù)的興趣，深受同學(xué)們的歡迎。
隨著電力、電子、控制技術(shù)、通訊及信息技術(shù)等的不斷發(fā)展，工業(yè)控制的自動(dòng)化程度大大地提高。新一代大功率半導(dǎo)體電力電子器件，在材料、理論、機(jī)理、制造工藝和應(yīng)用技術(shù)等方面的研究開(kāi)發(fā)，取得了突破性的進(jìn)展，過(guò)程控制設(shè)備進(jìn)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(jī)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(dòng)控制原理課程雖然是電專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)專(zhuān)業(yè)課程，但是一般學(xué)時(shí)安排也不十分充裕。要想在有限的時(shí)間內(nèi)把這門(mén)理論性和工程應(yīng)用性都很強(qiáng)的課程教好，必須針對(duì)不同專(zhuān)業(yè)合理組織教學(xué)內(nèi)容。必須以課程教學(xué)大綱為依托，根據(jù)專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)和實(shí)際需要，重點(diǎn)講授基本概念、基本原理和基本方法。另外，通過(guò)講座的形式向?qū)W生介紹自動(dòng)控制發(fā)展的最新動(dòng)向、最新技術(shù)，彌補(bǔ)課堂教學(xué)時(shí)數(shù)的限制和教材的滯后，每屆學(xué)生安排1-2次主題為“先進(jìn)控制理論與應(yīng)用”的講座。
三、以培養(yǎng)高素質(zhì)實(shí)踐性人才為目標(biāo)構(gòu)建課程體系
自動(dòng)控制原理課程理論性、實(shí)踐性和綜合性都很強(qiáng)，涉及到多學(xué)科的交叉，以培養(yǎng)高素質(zhì)實(shí)踐性人才為目標(biāo)通過(guò)改革，建立新的自動(dòng)控制課程體系。在教學(xué)過(guò)程中，把自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和傳感器技術(shù)有機(jī)地融為一體，使學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)的組成、分析、設(shè)計(jì)、綜合等各個(gè)環(huán)節(jié)及系統(tǒng)概念有全面的理解，并通過(guò)一系列的實(shí)踐環(huán)節(jié)，如綜合實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合解析圖如圖1所示。
圖1 自動(dòng)控制系統(tǒng)綜合解析圖
自動(dòng)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(dòng)控制原理課程的主線(xiàn)，構(gòu)建由時(shí)域分析、復(fù)域分析、頻域分析為基礎(chǔ)，連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和非線(xiàn)性系統(tǒng)為對(duì)象的的知識(shí)體系。自動(dòng)控制原理知識(shí)體系如圖2所示。
圖2 自動(dòng)控制原理知識(shí)體系
理論教學(xué)主要任務(wù)是保證學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的獲取和形成良好的知識(shí)結(jié)構(gòu)，而實(shí)踐環(huán)節(jié)則是把培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力放在首位。根據(jù)不同專(zhuān)業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，我們把實(shí)驗(yàn)體系分為三個(gè)體系：基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)及綜合性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也進(jìn)行了改革，密切結(jié)合計(jì)算機(jī)應(yīng)用和專(zhuān)業(yè)課程的特點(diǎn)，利用仿真語(yǔ)言MATLAB的強(qiáng)大功能，使學(xué)生在系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)、校正和調(diào)試能力方面有很大提高，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，鍛煉了學(xué)生的能力。
四、結(jié)語(yǔ)
自動(dòng)控制原理是控制類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)基于實(shí)踐的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，是廣大學(xué)生學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)，我院越來(lái)越重視此類(lèi)課程的教學(xué)改革，經(jīng)過(guò)自動(dòng)控制原理課程組全體教師多年的努力，積極開(kāi)展了自動(dòng)控制課程體系和教學(xué)內(nèi)容改革，使得課程教學(xué)質(zhì)量不斷提升。
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