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自動控制原理教學(xué)體系構(gòu)建的探究
摘要：針對自動控制原理的教學(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)計為課程主線強(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)用于我校控制類專業(yè)的實際教學(xué)工作中，實踐證明，改革后的自動控制原理教學(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：自動控制原理 教學(xué)改革 教學(xué)體系
自動控制原理是自動化專業(yè)、測控技術(shù)及儀器專業(yè)、機(jī)械設(shè)計及其自動化專業(yè)等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。自動控制原理是一門理論與實踐并重，工程性、綜合性、方法性、實踐性很強(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”、“理論與實踐”、“重點內(nèi)容與知識面”等矛盾，使自動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、實用性。我們對課程體系進(jìn)行了改革，確立了以系統(tǒng)分析、系統(tǒng)建模、系統(tǒng)綜合為自動控制原理課程的主線，構(gòu)建了由時域分析、復(fù)域分析、頻域分析、系統(tǒng)校正4個模塊構(gòu)成的知識體系。
對教學(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。通過講座的形式向?qū)W生介紹自動控制發(fā)展的最新動向、最新技術(shù)，彌補(bǔ)課堂教學(xué)時數(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)計為課程主線強(qiáng)調(diào)工程背景
自動控制原理是一門理論性、實踐性和綜合性強(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)計作為課程主線，強(qiáng)調(diào)工業(yè)控制背景，突出實際應(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，建立一個合理的模型是系統(tǒng)分析和設(shè)計的前提。在講述這部分的內(nèi)容時，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。從不同的角度對系統(tǒng)進(jìn)行建模，有助于學(xué)生加深對這方面內(nèi)容的理解。例如對于自動化類專業(yè)的學(xué)生可用電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為例，通過建立它的微分方程、傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖、信號流圖這些不同的數(shù)學(xué)模型，來建立各模型的聯(lián)系。
系統(tǒng)分析方法是控制系統(tǒng)綜合設(shè)計的基礎(chǔ)，這部分的內(nèi)容主要包括時域法、根軌跡法、頻域響應(yīng)法，是控制理論教學(xué)的重點。在控制系統(tǒng)中，穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性是對控制系統(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)不同的分析問題方法都是緊緊圍繞這三個方面展開的。只要抓住這個特點，就抓住了系統(tǒng)分析的關(guān)鍵，有助于學(xué)生加深對不同方法的理解。系統(tǒng)設(shè)計是綜合利用理論知識使系統(tǒng)的性能指標(biāo)全面滿足要求的過程，對培養(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。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)辨識的方法求數(shù)學(xué)模型后，根據(jù)性能指標(biāo)設(shè)計控制器，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。這些生動的工程實例大大激發(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，在分析問題、解決問題的過程中，使課程的學(xué)習(xí)達(dá)到知識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，控制理論得到了蓬勃發(fā)展，特別在非線性控制、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。這就要求教師對本學(xué)科發(fā)展有一個較好的把握，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，在講課過程中及時介紹給學(xué)生，以保持課程內(nèi)容的先進(jìn)性。例如每章結(jié)束后都會留出一定的時間，介紹本學(xué)科的發(fā)展動態(tài)，這種方法擴(kuò)大了學(xué)生的知識面，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)等方面的研究開發(fā)，取得了突破性的進(jìn)展，過程控制設(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。自動控制原理課程雖然是電專業(yè)的基礎(chǔ)專業(yè)課程，但是一般學(xué)時安排也不十分充裕。要想在有限的時間內(nèi)把這門理論性和工程應(yīng)用性都很強(qiáng)的課程教好，必須針對不同專業(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)專業(yè)的特點和實際需要，重點講授基本概念、基本原理和基本方法。另外，通過講座的形式向?qū)W生介紹自動控制發(fā)展的最新動向、最新技術(shù)，彌補(bǔ)課堂教學(xué)時數(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)實踐性人才為目標(biāo)構(gòu)建課程體系
自動控制原理課程理論性、實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)實踐性人才為目標(biāo)通過改革，建立新的自動控制課程體系。在教學(xué)過程中，把自動控制、計算機(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)生對控制系統(tǒng)的組成、分析、設(shè)計、綜合等各個環(huán)節(jié)及系統(tǒng)概念有全面的理解，并通過一系列的實踐環(huán)節(jié)，如綜合實驗和課程設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實踐能力。自動控制系統(tǒng)綜合解析圖如圖1所示。
圖1 自動控制系統(tǒng)綜合解析圖
自動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)為自動控制原理課程的主線，構(gòu)建由時域分析、復(fù)域分析、頻域分析為基礎(chǔ)，連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)為對象的的知識體系。自動控制原理知識體系如圖2所示。
圖2 自動控制原理知識體系
理論教學(xué)主要任務(wù)是保證學(xué)生對基礎(chǔ)理論的獲取和形成良好的知識結(jié)構(gòu)，而實踐環(huán)節(jié)則是把培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能、設(shè)計能力和創(chuàng)新能力放在首位。根據(jù)不同專業(yè)學(xué)生的特點，我們把實驗體系分為三個體系：基礎(chǔ)性實驗、設(shè)計性實驗及綜合性實驗。實驗內(nèi)容也進(jìn)行了改革，密切結(jié)合計算機(jī)應(yīng)用和專業(yè)課程的特點，利用仿真語言MATLAB的強(qiáng)大功能，使學(xué)生在系統(tǒng)分析、設(shè)計、校正和調(diào)試能力方面有很大提高，調(diào)動了學(xué)生的積極性，鍛煉了學(xué)生的能力。
四、結(jié)語
自動控制原理是控制類專業(yè)的一門基于實踐的專業(yè)基礎(chǔ)課，是廣大學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識的基礎(chǔ)，我院越來越重視此類課程的教學(xué)改革，經(jīng)過自動控制原理課程組全體教師多年的努力，積極開展了自動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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