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自動(dòng)控制原理教學(xué)體系構建的探究
摘要：針對自動(dòng)控制原理的教學(xué)，在課程內容和教學(xué)體系方面提出一系列改革的措施和方法。首先，以系統建模、系統分析和綜合設計為課程主線(xiàn)強調工程背景;其次，結合控制理論的發(fā)展更新教學(xué)內容;最后，以培養高素質(zhì)實(shí)踐性人才為目標構建課程體系。并將這些改革措施應用于我�？刂祁�(lèi)專(zhuān)業(yè)的實(shí)際教學(xué)工作中，實(shí)踐證明，改革后的自動(dòng)控制原理教學(xué)體系更適合以培養高素質(zhì)應用型人才為目標的西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理 教學(xué)改革 教學(xué)體系
自動(dòng)控制原理是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)、測控技術(shù)及儀器專(zhuān)業(yè)、機械設計及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)等專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎課程。自動(dòng)控制原理是一門(mén)理論與實(shí)踐并重，工程性、綜合性、方法性、實(shí)踐性很強的課程。從優(yōu)化課程設置總體的角度出發(fā)，為了恰當地解決好“基礎與應用”、“理論與實(shí)踐”、“重點(diǎn)內容與知識面”等矛盾，使自動(dòng)控制原理系列課程內容體系具有系統性、科學(xué)性、先進(jìn)性、實(shí)用性。我們對課程體系進(jìn)行了改革，確立了以系統分析、系統建模、系統綜合為自動(dòng)控制原理課程的主線(xiàn)，構建了由時(shí)域分析、復域分析、頻域分析、系統校正4個(gè)模塊構成的知識體系。
對教學(xué)內容改革，以突出控制理論的物理概念及工程背景，淡化數學(xué)證明為原則，在現有的基礎上，繼續整合、優(yōu)化課程內容，進(jìn)一步明確課程體系結構、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，體現控制理論在工業(yè)控制中的應用。通過(guò)講座的形式向學(xué)生介紹自動(dòng)控制發(fā)展的最新動(dòng)向、最新技術(shù)，彌補課堂教學(xué)時(shí)數的限制與教材的滯后。
一、以系統建模、系統分析和綜合設計為課程主線(xiàn)強調工程背景
自動(dòng)控制原理是一門(mén)理論性、實(shí)踐性和綜合性強的課程，內容多，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(shí)內讓學(xué)生熟練掌握控制理論的基礎原理，加強能力的培養，成為本課程改革的關(guān)鍵。我們團隊的教學(xué)思路是：從課程的體系出發(fā)，以系統建模―系統分析―綜合設計作為課程主線(xiàn)，強調工業(yè)控制背景，突出實(shí)際應用能力的培養。
數學(xué)模型是描述系統內部各物理量(或變量)之間關(guān)系的數學(xué)表達式，建立一個(gè)合理的模型是系統分析和設計的前提。在講述這部分的內容時(shí)，注意選取有一定工程背景的系統，講清楚模型參數的物理意義，使得學(xué)生正確理解實(shí)際模型與抽象數學(xué)模型的區別和聯(lián)系。從不同的角度對系統進(jìn)行建模，有助于學(xué)生加深對這方面內容的理解。例如對于自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生可用電機調速系統為例，通過(guò)建立它的微分方程、傳遞函數、結構圖、信號流圖這些不同的數學(xué)模型，來(lái)建立各模型的聯(lián)系。
系統分析方法是控制系統綜合設計的基礎，這部分的內容主要包括時(shí)域法、根軌跡法、頻域響應法，是控制理論教學(xué)的重點(diǎn)。在控制系統中，穩定性、快速性和準確性是對控制系統的基本要求，也是衡量系統性能的重要指標，控制系統不同的分析問(wèn)題方法都是緊緊圍繞這三個(gè)方面展開(kāi)的。只要抓住這個(gè)特點(diǎn)，就抓住了系統分析的關(guān)鍵，有助于學(xué)生加深對不同方法的理解。系統設計是綜合利用理論知識使系統的性能指標全面滿(mǎn)足要求的過(guò)程，對培養學(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(diǎn)。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(shí)際控制系統中去了解系統的結構特征、工作原理和設計要求，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(jiàn)的直流電機轉速控制為例，要求學(xué)生應用系統辨識的方法求數學(xué)模型后，根據性能指標設計控制器，達到控制電機轉速的目的。這些生動(dòng)的工程實(shí)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(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程中，使課程的學(xué)習達到知識和能力兩方面的目標。
二、結合控制理論的發(fā)展更新教學(xué)內容
近年來(lái)，控制理論得到了蓬勃發(fā)展，特別在非線(xiàn)性控制、分布參數控制、魯棒控制、自適應控制、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(gè)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(guò)程中及時(shí)介紹給學(xué)生，以保持課程內容的先進(jìn)性。例如每章結束后都會(huì )留出一定的時(shí)間，介紹本學(xué)科的發(fā)展動(dòng)態(tài)，這種方法擴大了學(xué)生的知識面，培養了他們探索科學(xué)技術(shù)的興趣，深受同學(xué)們的歡迎。
隨著(zhù)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(dòng)化程度大大地提高。新一代大功率半導體電力電子器件，在材料、理論、機理、制造工藝和應用技術(shù)等方面的研究開(kāi)發(fā)，取得了突破性的進(jìn)展，過(guò)程控制設備進(jìn)一步向高可靠、節能型方向發(fā)展;可編程序控制器和單片機已逐漸發(fā)展成為工業(yè)控制中的一種普遍控制方式。自動(dòng)控制原理課程雖然是電專(zhuān)業(yè)的基礎專(zhuān)業(yè)課程，但是一般學(xué)時(shí)安排也不十分充裕。要想在有限的時(shí)間內把這門(mén)理論性和工程應用性都很強的課程教好，必須針對不同專(zhuān)業(yè)合理組織教學(xué)內容。必須以課程教學(xué)大綱為依托，根據專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)和實(shí)際需要，重點(diǎn)講授基本概念、基本原理和基本方法。另外，通過(guò)講座的形式向學(xué)生介紹自動(dòng)控制發(fā)展的最新動(dòng)向、最新技術(shù)，彌補課堂教學(xué)時(shí)數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)控制理論與應用”的講座。
三、以培養高素質(zhì)實(shí)踐性人才為目標構建課程體系
自動(dòng)控制原理課程理論性、實(shí)踐性和綜合性都很強，涉及到多學(xué)科的交叉，以培養高素質(zhì)實(shí)踐性人才為目標通過(guò)改革，建立新的自動(dòng)控制課程體系。在教學(xué)過(guò)程中，把自動(dòng)控制、計算機技術(shù)、電子技術(shù)和傳感器技術(shù)有機地融為一體，使學(xué)生對控制系統的組成、分析、設計、綜合等各個(gè)環(huán)節及系統概念有全面的理解，并通過(guò)一系列的實(shí)踐環(huán)節，如綜合實(shí)驗和課程設計，培養學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。自動(dòng)控制系統綜合解析圖如圖1所示。
圖1 自動(dòng)控制系統綜合解析圖
自動(dòng)控制原理課程確立以系統建模、系統分析、系統綜合(校正)為自動(dòng)控制原理課程的主線(xiàn)，構建由時(shí)域分析、復域分析、頻域分析為基礎，連續系統、離散系統和非線(xiàn)性系統為對象的的知識體系。自動(dòng)控制原理知識體系如圖2所示。
圖2 自動(dòng)控制原理知識體系
理論教學(xué)主要任務(wù)是保證學(xué)生對基礎理論的獲取和形成良好的知識結構，而實(shí)踐環(huán)節則是把培養學(xué)生的實(shí)驗技能、設計能力和創(chuàng )新能力放在首位。根據不同專(zhuān)業(yè)學(xué)生的特點(diǎn)，我們把實(shí)驗體系分為三個(gè)體系：基礎性實(shí)驗、設計性實(shí)驗及綜合性實(shí)驗。實(shí)驗內容也進(jìn)行了改革，密切結合計算機應用和專(zhuān)業(yè)課程的特點(diǎn)，利用仿真語(yǔ)言MATLAB的強大功能，使學(xué)生在系統分析、設計、校正和調試能力方面有很大提高，調動(dòng)了學(xué)生的積極性，鍛煉了學(xué)生的能力。
四、結語(yǔ)
自動(dòng)控制原理是控制類(lèi)專(zhuān)業(yè)的一門(mén)基于實(shí)踐的專(zhuān)業(yè)基礎課，是廣大學(xué)生學(xué)習專(zhuān)業(yè)知識的基礎，我院越來(lái)越重視此類(lèi)課程的教學(xué)改革，經(jīng)過(guò)自動(dòng)控制原理課程組全體教師多年的努力，積極開(kāi)展了自動(dòng)控制課程體系和教學(xué)內容改革，使得課程教學(xué)質(zhì)量不斷提升。
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