控制理論基礎(chǔ)課程教學(xué)探討

摘要：為了培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力、綜合分析能力和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，對控制理論基礎(chǔ)課程教學(xué)進(jìn)行探討，根據(jù)課程特點(diǎn)及教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題，分析教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法，對課堂教學(xué)過程進(jìn)行改革，以期改善教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：控制理論；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）45-0034-02

控制理論基礎(chǔ)是諸多理工科專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程源自工程技術(shù)，又回到工程實(shí)際中去指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試，對培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維能力，提高綜合分析能力和建立理論聯(lián)系實(shí)際的科學(xué)觀點(diǎn)，都具有重要的作用。課程理論性較強(qiáng)，內(nèi)容抽象，涉及知識面廣，在有限的課時(shí)內(nèi)，學(xué)生學(xué)習(xí)和理解起來比較困難。如何引導(dǎo)學(xué)生介入本課程的學(xué)習(xí)，認(rèn)識到本課程對于指導(dǎo)解決工程問題的作用，從而產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣，將理論知識與工程實(shí)際相聯(lián)系，是本課程教學(xué)研究的關(guān)鍵[1]。

一、課程特點(diǎn)

1.課程涉及專業(yè)知識面廣，學(xué)生需具有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識。控制理論基礎(chǔ)內(nèi)容包括控制理論的概述、控制系統(tǒng)的微分方程、傳遞函數(shù)、時(shí)間響應(yīng)、穩(wěn)定性分析、誤差計(jì)算、根軌跡分析法、頻率響應(yīng)法及校正等。學(xué)好本課程要有扎實(shí)的數(shù)學(xué)、力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)等課程的基礎(chǔ)物理知識，又要有電路、電機(jī)、電力電子等知識；對系統(tǒng)動態(tài)和靜態(tài)性能的分析，計(jì)算過程比較麻煩，例如峰值時(shí)間、超調(diào)量、調(diào)整時(shí)間、振蕩次數(shù)和穩(wěn)態(tài)誤差等；對系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析，在時(shí)域和頻域分別要用到代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)、奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)、對數(shù)頻域穩(wěn)定判據(jù)等，在應(yīng)用這些穩(wěn)定判據(jù)時(shí)涉及到大量的數(shù)學(xué)計(jì)算或精準(zhǔn)繪圖，要求學(xué)生要有很強(qiáng)的計(jì)算能力。

2.課程內(nèi)容側(cè)重于理論，缺乏工程實(shí)踐。控制理論基礎(chǔ)是一門理論性和工程實(shí)踐性均較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，但是課程理論知識與實(shí)踐的結(jié)合并不緊密。除了在建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型這一章節(jié)涉及到一些簡單的機(jī)械和電氣系統(tǒng)，其他時(shí)間響應(yīng)分析、頻率響應(yīng)分析、系統(tǒng)校正，都沒有給出具體實(shí)際的系統(tǒng)，不利于培養(yǎng)學(xué)生對抽象理論的應(yīng)用能力。即使有一些實(shí)驗(yàn)課做補(bǔ)充，但由于實(shí)際控制系統(tǒng)一般都比較復(fù)雜，學(xué)校基本是以簡單的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備滿足課程教學(xué)，缺乏較實(shí)際的系統(tǒng)案例。教學(xué)過程中建立數(shù)學(xué)模型、大量公式的數(shù)學(xué)推導(dǎo)不能很好地體現(xiàn)其工程背景，例如系統(tǒng)近似、簡化的方法、適用范圍等。

二、教學(xué)內(nèi)容的分析

為加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，本校機(jī)械類專業(yè)課《控制理論基礎(chǔ)》將分配32個(gè)學(xué)時(shí)，學(xué)時(shí)數(shù)進(jìn)一步減少，而控制理論基礎(chǔ)課程內(nèi)容較多，在較少的學(xué)時(shí)內(nèi)，要把這門課的所有內(nèi)容講完顯然是不可行的。因此必須對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行梳理，選擇基本實(shí)用的理論方法，讓學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)學(xué)到更多有用的東西。主要講授四個(gè)方面的內(nèi)容：系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、時(shí)間響應(yīng)及誤差分析、頻率響應(yīng)分析和系統(tǒng)校正方法[2]。

1.系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。對于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，主要涉及到建立物理系統(tǒng)的微分方程、傳遞函數(shù)和方塊圖，其中后兩點(diǎn)是最重要的。在講微分方程這部分內(nèi)容時(shí)，可以將傳遞函數(shù)的概念以及一些典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)同時(shí)講了，而不必分開來單獨(dú)講。相對于求取傳遞函數(shù)，學(xué)習(xí)方框圖的等效變換方法是更重要的，對于系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)來說，這是一個(gè)基本的技能。在教學(xué)過程中要多結(jié)合一些例題，將方框圖等效變換的方法講清楚、透徹，加深學(xué)生對概念、方法的理解，為后面知識的學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，不要將教學(xué)重點(diǎn)放在求取復(fù)雜系統(tǒng)傳遞函數(shù)的技巧上。梅森公式求取系統(tǒng)傳遞函數(shù)適合計(jì)算機(jī)輔助分析系統(tǒng)，特別是求取復(fù)雜系統(tǒng)傳遞函數(shù)非常適合。在有限學(xué)時(shí)中，這些方法可以不講授。

2.時(shí)間響應(yīng)及誤差分析。時(shí)間響應(yīng)法是經(jīng)典控制理論中經(jīng)常采用的方法，主要介紹時(shí)間響應(yīng)的基本概念、時(shí)間響應(yīng)的性能指標(biāo)，以及一階、二階和高階系統(tǒng)的典型時(shí)間響應(yīng)特性、時(shí)域穩(wěn)定判據(jù)及誤差分析。學(xué)生開始學(xué)習(xí)時(shí)間響應(yīng)時(shí)，通常對概念比較陌生，感覺不好理解，教學(xué)時(shí)可以通過典型輸入信號的實(shí)例，并結(jié)合輸入、輸出信號的時(shí)間變量曲線，幫助學(xué)生理解響應(yīng)的概念。典型二階系統(tǒng)的分析是重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生要掌握系統(tǒng)的性能指標(biāo)與系統(tǒng)參數(shù)之間的解析關(guān)系，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)，有零點(diǎn)的二階系統(tǒng)和高階系統(tǒng)作為特例可以不講。分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而求出保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件，是經(jīng)典控制理論的重要組成部分。這部分主要介紹穩(wěn)定性的基本概念、系統(tǒng)穩(wěn)定的條件以及穩(wěn)定性的時(shí)域判據(jù)等。

3.頻域分析法。利用頻率法可以簡便迅速地判斷某些環(huán)節(jié)或參數(shù)的改變對系統(tǒng)動靜態(tài)性能的影響，并能指明改進(jìn)的方向。此外，系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的頻率特性可以用實(shí)驗(yàn)確定，在難以確定系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型時(shí)，頻率法具有更為重要的意義。在講授奈魁斯特穩(wěn)定判據(jù)時(shí)，避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，應(yīng)從物理意義角度解釋。要求學(xué)生掌握應(yīng)用奈魁斯特穩(wěn)定判據(jù)，讓學(xué)生充分理解開環(huán)傳遞函數(shù)的特征多項(xiàng)式、開環(huán)傳遞函數(shù)和閉環(huán)傳遞函數(shù)的特征多項(xiàng)式三者聯(lián)系，也要結(jié)合實(shí)例講解用開環(huán)頻率特性的奈氏圖來判別閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。伯德圖可以比較準(zhǔn)確地繪制，很適合用于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)要求學(xué)生熟練掌握Bode圖的繪制方法，并根據(jù)Bode圖計(jì)算穩(wěn)定裕度。線性系統(tǒng)校正可以采用matlab方法完成，重點(diǎn)講解校正的意義、特點(diǎn)和方法。

三、教學(xué)方法的改進(jìn)

1.采用啟發(fā)式的課堂教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。啟發(fā)式的課堂教學(xué)方法可以啟發(fā)學(xué)生積極思維，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，有利于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力。在教學(xué)過程中，提問是啟發(fā)學(xué)生積極思維的一種主要形式，引導(dǎo)學(xué)生參與教學(xué)。提問時(shí)要注意問題的引入，要掌握好教學(xué)節(jié)奏，給學(xué)生留取合理的獨(dú)立思考時(shí)間，不要急于讓學(xué)生回答。學(xué)生經(jīng)過獨(dú)立思考并與周圍同學(xué)交流想法后，有助于對問題的理解，然后再讓他們回答。

2.傳統(tǒng)的板書與多媒體技術(shù)結(jié)合。在控制理論基礎(chǔ)教學(xué)中采用多媒體技術(shù)，可以使比較枯燥抽象的理論在圖文并茂的講述中變得形象和具體，增加學(xué)生對課程的興趣。傳統(tǒng)教學(xué)中，需要用很多時(shí)間去畫一些比較復(fù)雜的圖形，采用多媒體技術(shù)后，教師從書寫變?yōu)橹v解，可以節(jié)省大量的板書時(shí)間，只要點(diǎn)擊鼠標(biāo)，就可以一步一步地將繪制的圖形展示給學(xué)生，教師只需要集中精力對繪圖步驟進(jìn)行講解，并分析結(jié)果。采用多媒體教學(xué)，會加快教學(xué)速度，過快的速度和過多的信息使學(xué)生的思維跟不上，使得學(xué)生不能深刻理解知識理論，學(xué)習(xí)效率并不會明顯提高，達(dá)不到改善教學(xué)效果的目的。因此，多媒體技術(shù)必須與傳統(tǒng)的板書教學(xué)相結(jié)合。

3.引入MATLAB仿真軟件作為輔助教學(xué)工具。在控制理論教學(xué)中引入MATLAB軟件后，傳統(tǒng)的分析方法、設(shè)計(jì)程式可以通過Simulink的可視化編程和仿真演示進(jìn)行處理，節(jié)省了手工繪圖的時(shí)間，將抽象的理論和概念變得通俗易懂，使復(fù)雜的問題變得更為簡單，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)手段的不足。例如，只要編制好相應(yīng)的程序就可以生成系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，調(diào)用nyquist（）函數(shù)就可以用來繪制奈氏圖，伯德圖的繪制也是與此類似。通過對系統(tǒng)運(yùn)動仿真過程的觀察和對輸出圖形的分析，學(xué)生可以更深刻地認(rèn)識和理解基礎(chǔ)控制理論[3]。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]廖守億，張合新，張國良.自動控制理論有效教學(xué)方法探索與實(shí)踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2012，（6）.

[3]陳廣慶，楊前明.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程教學(xué)方法淺析[J].中國教育技術(shù)裝備，2010，（8）.

作者簡介：黃曉波（1976-），男，湖北廣水人，講師，碩士研究生，主要研究方向：數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)及應(yīng)用。