“連續與離散控制系統”課程建設

嵇艷鞠,王春民,劉興明,欒 卉

(吉林大學儀器科學與電氣工程學院,吉林長春 130026)

0 引言

控制技術是多學科相互滲透和結合而發展起來的。當今計算機具有強大的存儲記憶能力、可靠靈活的邏輯判斷推理能力、高效的科學計算和數據處理能力,計算機技術的應用已經遍布各個領域。正是計算機技術的廣泛應用,促使控制技術在各個領域的應用也越來越廣泛,離散控制已成為各個領域實現自動化最重要的手段。因此對自動化專業或自動控制等相關專業掌握控制系統基礎理論知識是十分必要的,對于從事控制方面的工程技術人員,掌握這些相關知識也是必須的。

根據教育部教育改革、學科建設和教材建設改革的精神,吉林大學在全校范圍內展開學科建設和教材建設的改革,針對一些學科課程設置存在的問題和弊端,對教學大綱和教學計劃進行了調整,制定了新版教學大綱和教學計劃。在這種形勢下,儀器科學與電氣工程學院經過組織專家進行多次論證,結合二十多年在控制學科的教學經驗和體會,針對“自動控制原理”和“計算機控制原理和技術”兩門課程單獨開設存在的問題和弊端,將“自動控制原理”和“計算機控制原理與技術”兩門課整合成一門課程,即“連續與離散控制系統”,列入了儀器科學與電氣工程學院新版教學大綱和教學計劃中,并通過吉林大學的審批。

1 課程特點

1.1 連續控制與離散控制緊密而有機的結合

自動控制原理最早起源于1765年俄國人波爾佐夫發明蒸汽鍋爐水位調節器和1784年瓦特發明蒸汽機離心飛錘式調速器。從那時起二百多年來,隨著社會生產力和科學技術的迅猛發展,自動控制技術已形成了完整的理論體系,主要包括經典控制理論和現代控制理論。目前,自動控制的理論和技術幾乎應用到了所有的工業部門,在國民經濟的調控中也得到了成功的應用。因此“自動控制原理”是理工機電類專業的一門重要的基礎理論和技術課程。

計算機控制系統是在自動控制技術和計算機技術不斷發展的基礎上產生的。經典控制理論雖已發展成熟,且在不同領域都得到了成功的運用。但是,它也有其局限性,對復雜的控制系統和復雜的算法,在實現上遇到了相當的困難,不能滿足系統的運行要求。現代控制理論的發展為自動控制系統的分析、設計與綜合增添了理論基礎,而計算機技術的發展為新型控制規律的實現提供了非常有效的手段,兩者的結合極大地推動了自動控制技術的發展。

1.2 解決自動控制理論教學與實踐環節脫節

“自動控制原理”是自動化類專業的核心課程,在機械電子專業、電力專業、動力專業等專業也作為一門必修課而被列入教學計劃。在以往的教學中,自動控制原理的實驗內容常常作為教學的一個組成部分在授課期間穿插七次到八次基本實驗,學生學完自動控制后,對實驗的內容比較模糊,控制原理的內容仍然是停留在課本上,一些概念和結論仍然感覺比較抽象,缺少感性認識。其中理論中的四分之三的重點內容,在實際的操作環節中無法體現,一些同學在長期的理論學習中由于不能很好的和實際情況結合起來,會對理論性過強的學習過程產生厭倦,既不利于學生的學習熱情,也不利于學生理論與實踐相結合的專業技能的發展。自動控制系統的實現問題相對比較困難,這類問題可以通過計算機控制編程來實現,而且簡單方便,提高了學生的感性認識,較好地解決了理論與實踐脫節問題。

1.3 Matlab/Simulink仿真與理論教學結合

Matlab語言是由美國Mathworks公司發布的主要面向科學計算、數據可視化以及交互式程序設計的高技術計算語言。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化集成在一個易于使用的視窗環境中,為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多學科領域提供了簡捷、有效的編程工具,強大的功能使它成為系統分析和仿真設計的首選語言。

在理論教學內容上將Matlab/Simulink仿真應用到控制原理的課程之中,降低了控制理論的抽象性,增加了直觀性。例如:根軌跡法需要繪制根軌跡圖,頻域分析法需要畫波德圖和極坐標圖等,這些圖形需要分析、計算、描點等過程,常常花費不少的時間。采用Matlab語言則只需幾條簡單的指令立刻就可以得到相應的圖形,同時,可非常方便地觀察參數的變化對控制系統穩定性、動態特性的影響,還可避免教師在黑板畫圖耗費時間及手工畫圖的不精確性。在系統數學模型講授中,通過調用Matlab的示例程序中的一些控制系統模型,讓學生在Simulink環境中對這些模型進行仿真,逐步了解一個系統是如何組成,各個環節的模型又是怎樣聯系,相互之間關系如何,系統又是如何運作等問題。

在控制原理課程中增加Matlab/Simulink仿真內容,可以促進控制原理的理論教學,提高學生學習興趣、分析和設計系統的能力,使學生的知識面更廣、動手能力更強、綜合素質更高。控制原理理論教學與Matlab/Simulink仿真有機的結合,是控制領域發展的趨勢,也順應了自動化專業學生專業立足點高、知識更新、綜合素質更突出的要求。因此,在控制原理課程中增加Matlab/Simulink仿真內容,不僅使學生掌握了理論教學的內容,同時也教學生一些應用理論的手段。

2 教學梯隊

連續與離散控制系統教學梯隊現有教師6人,正教授1人,副教授3人,講師2人,其中具有博士學位教師4人,師資結構合理。課程組現承擔學院本科生主干課程“連續與離散控制系統”,研究生學位課程“現代控制理論”等課程的教學工作。在教學過程中采用多種有效的教學手段,使學生掌握書本知識的同時培養學生動手能力,達到了良好的教學效果。

3 特色教材的編寫

《連續與離散控制系統》規劃教材的編寫依據作者多年的教學經驗,參考國內外相關的優秀教材,書中連續控制部分側重基礎理論,離散控制部分在兼顧基礎理論的同時,強調向實踐方面過渡。連續與離散控制的結合,使得控制理論和實踐的脫節問題相對容易解決,學習的連續性加強,教師的處理空間增大、靈活性增強。在控制系統中,利用Matlab仿真與各章節有機結合,使復雜問題簡單化,理論問題直觀化,增加了可讀性和趣味性。教材的編寫過程中還注重控制系統體系結構和內在聯系,采用共性問題匯總介紹,個性問題單獨闡述的原則進行編寫,并將連續系統的典型環節和非典型環節統一處理,力圖在突破傳統的寫法方面做一些嘗試。

4 實驗平臺建設

通過引進自動控制和計算機控制設備,經過多年的改造、補充和完善,已經構建成較為完善的連續與離散控制的實驗平臺,對于提高學生的控制領域的實踐能力起到了重要作用,同時也成為本科控制類畢業設計的基地。

借鑒國外控制類先進教材的經驗,結合自己的實際情況,開發了連續與離散控制系統的Matlab/Simulink仿真實驗平臺,平臺涵蓋了連續與離散控制系統教材的主要內容,多年來對于學生理解控制理論以及理論與實踐結合的能力起到重要作用,激發了學生對控制理論研究的熱情,為學生在理論與實踐相結合方面營造了一個良好的實驗仿真環境。在畢業設計中應用該實驗平臺對一些控制理論問題進行了深入的仿真研究,對提高學生的理論水平和實踐能力起到不可替代的作用。

5 結語

連續控制系統的實現比較麻煩,離散控制系統可以通過編程實現,實現方便容易。兩門課整合成一門課,自動控制理論直接服務于《計算機控制原理與技術》這門課,提高了學習效率,教學效果明顯改善,因為整合后將連續與離散控制緊密和有機的結合,使學生學習具有連續性,教師在教學過程中可利用的空間變大,處理教學問題的靈活性增強,增強了學科的整體性和全局性。本課程對我國高等學校控制類課程教育改革和教材建設改革具有良好的示范和借鑒作用。

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