自動(dòng)控制原理課程的教材分析與研究

陶洪峰

江南大學(xué)教育部輕工過程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇無錫 214122

自動(dòng)控制原理課程的教材分析與研究

陶洪峰

江南大學(xué)教育部輕工過程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇無錫 214122

自動(dòng)控制原理是自動(dòng)化專業(yè)及其他相關(guān)專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程。針對(duì)現(xiàn)今教材中普遍存在的一些問題，就體系優(yōu)化、內(nèi)容更新和平臺(tái)搭建等方面進(jìn)行分析和研究，不僅強(qiáng)調(diào)工程背景和互動(dòng)教育，而且為學(xué)生創(chuàng)新思維與實(shí)踐能力的培養(yǎng)提供思路。

自動(dòng)控制原理；教材；專業(yè)課程

Author’s addressKey Laboratory of Advanced Process Control for Light Industry (Ministry of Education), Jiangnan University, Wuxi, Jiangsu, China 214122

自動(dòng)控制原理是自動(dòng)化專業(yè)及其他相關(guān)專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，特點(diǎn)是內(nèi)容多、理論性強(qiáng)，對(duì)數(shù)學(xué)及電路基礎(chǔ)等的要求較高，在人才培養(yǎng)中占有極為重要的地位。而教材是課程的根本，也是教育教學(xué)改革的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

雖然目前自動(dòng)控制原理課程的教材種類繁多，但水平參差不齊，一些教材的系統(tǒng)實(shí)踐性不強(qiáng)，與國(guó)內(nèi)外高新技術(shù)的發(fā)展有距離，教材結(jié)構(gòu)中創(chuàng)新思維與能力培養(yǎng)偏弱，教材中的方法偏陳舊繁瑣，并沒有跟上自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，無法給學(xué)生提供先進(jìn)的研究方法與平臺(tái)，不利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

針對(duì)上述問題，廣泛征求意見，總結(jié)教育教學(xué)方法，在自動(dòng)控制原理課程的教材編寫和應(yīng)用上進(jìn)行一定的思考和探索。

1 重組教材體系和教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)資源配置

以培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型自動(dòng)化專業(yè)人才為主要目標(biāo)，以理論密切聯(lián)系工程實(shí)際為主線，突出系統(tǒng)性及邏輯性強(qiáng)，科學(xué)理論嚴(yán)謹(jǐn)，以完整的邏輯性和系統(tǒng)性編排自動(dòng)控制原理的各個(gè)方面，教材內(nèi)容的闡述堅(jiān)持深入淺出，方便教與學(xué)。自動(dòng)控制原理課程的教學(xué)內(nèi)容目前全國(guó)基本一致，一般都分為緒論、數(shù)學(xué)建模、時(shí)域分析、復(fù)域分析、頻域分析、校正設(shè)計(jì)、離散系統(tǒng)和狀態(tài)空間這幾章[1]，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐對(duì)各章內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。下面舉例說明。

1）在數(shù)學(xué)建模這一章，由于控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)內(nèi)部物理量（或變量）之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，因此傳遞函數(shù)是教學(xué)重點(diǎn)，結(jié)構(gòu)圖變換和梅森公式方法都應(yīng)該有所介紹，但允許側(cè)重。目前有一些教材完全從圖論角度來進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的等效變換和簡(jiǎn)化，這樣似乎摒棄了這門課程的工科性質(zhì)，變成純數(shù)學(xué)的理論，且容易讓學(xué)生沒有信號(hào)變換的物理概念，不利于今后與實(shí)際應(yīng)用時(shí)的銜接。

2）在時(shí)域分析這一章，評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)的性能，就需要重點(diǎn)講授典型輸入信號(hào)與性能指標(biāo)定義，主要分析一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)的性能數(shù)值分析，便于學(xué)生理解完整的概念和方法。而對(duì)于高階系統(tǒng)的近似公式等就不需要做詳細(xì)介紹，這一知識(shí)點(diǎn)完全可以依托MATLAB軟件來闡述和分析[2]。但主導(dǎo)極點(diǎn)的概念一定要強(qiáng)化，因?yàn)檫@涉及高階系統(tǒng)如何轉(zhuǎn)化為近似低階系統(tǒng)來進(jìn)行分析的方法，在工程上也經(jīng)常采用。這樣一來，整個(gè)內(nèi)容的編排就有了一個(gè)漸進(jìn)和融通的過程。

3）在非線性系統(tǒng)這一章，由于在實(shí)際控制對(duì)象中，任何物理系統(tǒng)都不同程度地帶有非線性特性，因此就要重點(diǎn)介紹典型非線性環(huán)節(jié)的性質(zhì)和作用，以及強(qiáng)調(diào)這些環(huán)節(jié)在工程上和物理上的具體體現(xiàn)，而不能從純數(shù)學(xué)角度來分析。另外，筆者認(rèn)為，相平面圖的繪制法在目前需要簡(jiǎn)化，要掌握通過MATLAB軟件來繪制的方法；但是從相平面圖上來進(jìn)行系統(tǒng)分析還是需要掌握的，因?yàn)檫@是一個(gè)從多維空間角度來分析系統(tǒng)的方法，當(dāng)然狀態(tài)空間部分也是；描述函數(shù)法的穩(wěn)定性分析則需要和頻域法進(jìn)行統(tǒng)一，讓學(xué)生建立統(tǒng)一的觀點(diǎn)，并強(qiáng)化非線性系統(tǒng)中特有的自振現(xiàn)象。

因此，針對(duì)教學(xué)實(shí)際需要，對(duì)教材內(nèi)容進(jìn)行重新編排和優(yōu)化，有利于開展教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的思考和工作能力，全面升華控制理論的知識(shí)應(yīng)用。

2 內(nèi)容緊密結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際，開闊學(xué)生視野

工科課程理論聯(lián)系實(shí)際的特點(diǎn)不僅體現(xiàn)在教材中數(shù)學(xué)實(shí)例的分析，更重要的是要強(qiáng)調(diào)理論最終服務(wù)于實(shí)踐的方法和途徑[3]。教材內(nèi)容指明理論成果源于實(shí)踐需求，以實(shí)例應(yīng)用表明理論的正確性與可行性，凸現(xiàn)工程背景，進(jìn)行啟發(fā)式誘導(dǎo)和科學(xué)性解題。同時(shí)教材可適當(dāng)面向高新技術(shù)，促使學(xué)生強(qiáng)化創(chuàng)新思維與能力培養(yǎng)。在教材的應(yīng)用上：1）指明工程背景及應(yīng)用場(chǎng)合，明確設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)指標(biāo)；2）啟發(fā)性誘導(dǎo)，指出設(shè)計(jì)問題的切入點(diǎn)及注意事項(xiàng)；3）指明邏輯思維過程及明晰求解層次；4）綜合應(yīng)用各種理論方法，分析設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性及實(shí)現(xiàn)的可能性；5）協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)指標(biāo)的滿意性，修改設(shè)計(jì)參數(shù)，達(dá)到和諧效果；6）設(shè)計(jì)過程及結(jié)果的驗(yàn)證與仿真；7）自行完成設(shè)計(jì)過程的擴(kuò)展，指出改善性能的可能途徑和方法，達(dá)到進(jìn)一步改進(jìn)控制性能的目的。

以上針對(duì)教材內(nèi)容的“七步教學(xué)法”，可以提高知識(shí)綜合應(yīng)用能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，強(qiáng)化素質(zhì)培養(yǎng)。

3 依托教材搭建研究平臺(tái)，促進(jìn)互動(dòng)教學(xué)模式開展

以基于MATLAB的輔助分析方法貫穿教材，開展理論及方法的研究，摸索多元化的教學(xué)方法，搭建全方位的教學(xué)平臺(tái)，注重自動(dòng)控制理論的系統(tǒng)性和實(shí)用性，有效增強(qiáng)教學(xué)效果。給出的MATLAB程序具有可擴(kuò)展性，便于學(xué)生今后修改以獨(dú)立進(jìn)行創(chuàng)新性研究，從而可以開展因材施教，全面提高定性分析、定量計(jì)算、綜合應(yīng)用以及數(shù)形結(jié)合的能力。促進(jìn)課內(nèi)與課外相結(jié)合，教師與學(xué)生共討論的互動(dòng)教學(xué)模式的開展，提高教學(xué)質(zhì)量。依托教材搭建的教學(xué)研究平臺(tái)，可以形成教學(xué)與應(yīng)用的完整知識(shí)封閉鏈，集理論教學(xué)、綜合設(shè)計(jì)、應(yīng)用訓(xùn)練、課堂討論、個(gè)性化作業(yè)及能力培養(yǎng)于一體，促進(jìn)知識(shí)、能力與素質(zhì)培養(yǎng)的全面協(xié)調(diào)發(fā)展。

4 結(jié)束語

總之，自動(dòng)控制原理課程的工科背景，決定了教材的改革要始終堅(jiān)持強(qiáng)化理論聯(lián)系實(shí)際，緊密結(jié)合工程實(shí)踐，以與時(shí)俱進(jìn)的態(tài)度進(jìn)一步優(yōu)化內(nèi)容，突出傳統(tǒng)知識(shí)和高新技術(shù)、基礎(chǔ)技能和創(chuàng)新能力的共同培養(yǎng)。同時(shí)以優(yōu)秀的教材建設(shè)為平臺(tái)，促進(jìn)教學(xué)理念和方法的進(jìn)一步深化和提高。

[1]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].5版.北京:科學(xué)出版社,2007

[2]薛定宇.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì):MATLAB語言與應(yīng)用[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社,2006

[3]張敏.理論與實(shí)踐相結(jié)合在“自動(dòng)控制原理”課程中的新探索[J].中國(guó)電力教育,2010(19):77-78

Analysis and Research on Teaching Materials of Automatic Control Principles

//Tao Hongfeng

Automatic Control Principles is an important technology basic course for automation specialty or relative. According to the basic problems exist in current teaching materials, the paper analyzes the difficulty of system optimization, content renewal and the construct of teaching platform. It not only emphasizes the engineering background and the interactive education, but also provides the access to bring up student’s creative thinking and the ability of practice.

automatic control principles; teaching materials; specialized courses

G642

B

1671-489X(2011)12-0031-02

作者：陶洪峰，博士，副教授，研究方向?yàn)檫^程控制與優(yōu)化。

10.3969/j.issn.1671-489X.2011.12.031