“自動控制原理”課程教學思考

摘 要:針對“自動控制原理”課程教學中的問題，從課程教材特點，內容編排及內在規律方面分析了“自動控制原理”課程的特點，針對課程特點，從教學對策方面提出了類比法授課的的探索與創新嘗試。通過實際課程教學效果驗證了教學改革的教學效果。

關鍵詞:自動控制原理 教學思考 類比法 教學改革

中圖分類號:G642文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)03(a)-0142-01

“自動控制原理”作為自動化專業的專業基礎課程，從本質上面說是對電路、模擬電子技術、數字電子技術及電機理論等基礎課程的總結及引導，同時也對自動化專業未來的過程控制、信號檢測處理及最優控制等課程提供理論指導、培養研究思路起到承上啟下的核心作用。其課程特點是概念比較抽象，理論性較強，要求具有一定工科數學基礎，理解上具有一定的難度和深度。從任教課程的多年教學情況看，學生普遍感到難學難懂、從而具有怕學的心理，而任課老師的授課經歷看也覺得出力效果微，容易產生挫折感。為了激發師生教、學的積極性，提高教、學效果，“民族院校自動控制原理課程的教學改革與實踐”教改得到了學校教務處的立項支持，項目組成員對課程內容，教材選擇，應用背景等多方面進行了探索和研究實際，并取得了良好的效果。

1 教材分析

根據學校自動化專業的具體情況，本課程使用的教材是胡壽松主編，由科學出版社出版的自動控制原理，該教材編排合理，難度適當，既強調了自動控制原理的基礎知識，也拓展了基礎知識的創新應用，滿足了基礎不同同學的學習愿景，如在詳細介紹了典型二階系統時域單位階躍響應的推導分析思路后，根據實際控制工程實際，明確指出幾乎所有的控制系統都是高階系統，其分析方法是在分析二階系統思路基礎上利用主導極點對高階系統進行分析，這樣就在掌握典型二階系統基礎上，拓展了學生思維，這樣進一步開闊了學生視野，使其意識到在基礎之上，還有很多擴展知識需要去探索，激發學生的求知欲。并且課后的習題編排很有針對性，先強調基礎知識的掌握，在此基礎上與實際控制系統結合，如教材第三章噴氣式戰斗機橫滾角控制系統、打磨機器人控制系統和火星自主漫游車導向控制系統。這些實際控制實例題目的設計，使學生意識到該課程會學有所用，所學的抽象理論馬上變得具體可見，激發了學生的學習欲望。

2 課程內容分析

通過項目組成員多方面分析，認為教材內容編排合理，既包括了傳統的經典控制理論內容，也囊括了現代控制理論基礎，是一本非常適合單學期學習控制理論的院校學生使用。在內容上，可以把教材分為三部分，即模型部分、方法論和現代控制理論基礎。

模型部分，可以看作是本課程的共性問題，主要講授控制系統數學模型的建立，本質上是利用微分方法或拉普拉斯變換等數學方法對某些物理、運動過程遵循物理、電路定律列寫方程，換個角度講就是高等數學在控制系統中的應用而已，這樣既可以讓學生切實感覺到高等數學是基礎，使學生感覺到本課程與前面所學基礎課程的緊密聯系，消除學生的陌生感，從而萌發學習的興趣。

方法論，可以看作是數學在自動控制領域的具體運用，主要是數學方法在具體問題中的應用。通過這樣整理，就把大一、大二的基礎課程和專業課程緊密連接起來，實現了前后課程的無縫鏈接，把自動控制原理問題轉化為數學在具體工程領域的應用問題，這樣可以消除學生對自動控制原理課程原有難學、復雜、抽象的誤解，把一門完全陌生的新課程轉換為數學工具的工程應用類課程，從而真正激發起學生學習的興趣，為學好該門課程打下堅實的心理基礎，畢竟興趣就是最好的老師。

現代控制理論，核心內容就是數學模型與線性代數的融合，通過對系統建立形如一階微分方程組的數學模型，然后運用線性代數思路，把模型轉換為矩陣方程形式，在此基礎上運用矩陣初等變換，把模型轉換為相應的能控、能觀型多種標準形式，這樣可以從矩陣的結構很好地理解能控性、能觀性的概念及其相應的結構分解。對于極點配置問題及穩定性判斷，本質上就是對矩陣方程如何求其對應的特征根問題。通過這樣的分析、融會貫通，就可以把這些以前沒接觸過的概念、理論轉換為數學問題求解，把一門新課程變為數學課程的延續。

3 教學對策

通過對教材及其編排內容分析，為了提高教學效率，課題組成員采用類比教學法授課。類比法是根據兩個(兩類)對象之間的某些相同或相似而指出它的其它方面也可能相同或相似的一種方法。通過教材分析可以知道，第二章“控制系統的數學模型”是教材的基礎內容，是自動控制原理課程共性問題，對這個共性問題的共同要求就是分析模型的穩定性、快速性(動態性能)和準確性(穩態誤差)。后續章節“線性系統的時域分析法”、“線性系統的根軌跡法”、“線性系統的頻域分析法”、“線性系統的校正方法”、“線性離散系統的分析與校正”、“非線性控制系統分析”都是分別運用不同的數學工具緊緊圍繞這三個問題展開授課，所用的數學工具包括微分方程求解方法、拉普拉斯變換、指數函數屬性、三角函數性質、復數運算、極坐標、對數運算和變換等數學基礎。如對第三章“線性系統的時域分析”授課時，先給出本章所要用到的數學知識就是微分方程的求解理論，通過微分方程的求解，可以求得第二章所建的系統模型的時域解，利用時域解就可以用求極限方法求則可以判斷系統穩定性，利用求函數極值思路就可以求系統誤差和過渡性能指標。第四、第五、第七、第八章分別利用根軌跡法、頻率響應法、變換法和描述函數法對線性系統和非線性系統進行相應的三方面性能指標定性或定量分析。通過這樣的講授，就可以把經典控制理論的主要內容重點概括濃縮為第一、第二、第三章的內容，只要把前三章基礎內容理解掌握好，那么后幾章內容就是在使用數學方法不同前提下，對系統穩定性、快速性和準確性要求作分析，通過這樣的授課實踐，學生就切實感覺到把教材學“薄”了，抓住了教材的精髓，突出了重點。取得了很好的教學效果。

4 結語

本文結合“自動控制原理”課程的教學改革與實踐，深入分析了所選用教材特點，結合教學過程體會，對所用教材進行了重點概括和總結，從而把數學基礎和工程應用密切聯系起來，運用類比教學方法，把課本內容“學薄”，激發起學生濃厚的學習興趣，取得了教、學雙贏的教學效果。隨著時代進步，知識的更新，只有不斷掌握自動控制理論發展動向，樂于探索，勤于思考，才能充分調動教師和學生的積極性，取得更好的教學效果，全面提高教學質量。

參考文獻

[1] 胡壽松．自動控制原理(第五版)[M]．北京:科學出版社，2010.

[2] 周武能，石紅瑞.自動控制原理教學改革與實踐[J].教學研究，2010.

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