徐 曉 羅 劍

自動(dòng)控制課堂教學(xué)模式的改革與探索

徐 曉 羅 劍

（湖南科技學(xué)院 電子工程系，湖南 永州 425100）

針對(duì)“自動(dòng)控制原理”教改問(wèn)題，從應(yīng)用背景、理論性、應(yīng)用性等方面分析了課程的特點(diǎn)，重點(diǎn)探討了教學(xué)中理論-實(shí)踐-理論的教學(xué)模式。接著敘述了這種教改的成效;最后給出了教學(xué)改革的一些展望。

自動(dòng)控制原理；教學(xué)方法；教學(xué)改革

0 引言

自動(dòng)控制理論是研究自動(dòng)控制共性規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，自動(dòng)控制理論主要包括經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論，以及自20世紀(jì)80年代逐漸形成的大系統(tǒng)理論和智能控制理論。它廣泛的運(yùn)用在軍事，工業(yè)，農(nóng)業(yè)，醫(yī)藥等方面，它涵蓋了學(xué)生畢業(yè)工作的各個(gè)方面，因此非常有必要探討一下 “自動(dòng)控制原理”的本科教學(xué)[1]。

1 教學(xué)方法創(chuàng)新探索

對(duì)于這門(mén)難度很高的課程，涉及到許多基礎(chǔ)課程及大量的數(shù)學(xué)，因此，教學(xué)時(shí)應(yīng)注重概念，弱化計(jì)算。只有掌握了基本的概念，有了充分的感性認(rèn)識(shí)，學(xué)生才有進(jìn)一步自我深化的可能。要進(jìn)一步的掌握該門(mén)課程，必須由理論回到實(shí)踐，使學(xué)生從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)。要達(dá)到這點(diǎn)，實(shí)例教學(xué)部可少，因此，筆者在教學(xué)時(shí)充分用實(shí)例，例如：在第一章基本概念中講解自動(dòng)控制系統(tǒng)的定義和組成的時(shí)候，首先需讓同學(xué)們明白系統(tǒng)的控制過(guò)程，因此我分別舉了一個(gè)人工業(yè)恒溫控制系統(tǒng)和自動(dòng)調(diào)溫控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)比講解。由于比較貼近實(shí)際，同學(xué)們對(duì)于這個(gè)人工系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行原理基本都能自發(fā)自然的理解，所以再講其結(jié)構(gòu)，就很容易理解控制對(duì)象，被控裝置，輸出，輸入，校正，反饋等概念[2]。

2 課程內(nèi)容模塊化教學(xué)改革

自動(dòng)控制原理的教學(xué)過(guò)程應(yīng)突出本門(mén)課程具有的方法論特點(diǎn)，使學(xué)生建立系統(tǒng)的觀(guān)點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)的分析能力和初步的控制器設(shè)計(jì)能力，為專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)和參加控制工程實(shí)踐提供必要的理論基礎(chǔ)。采用“模塊化”教學(xué)改革方案。理論教學(xué)內(nèi)容主要由四大部分組成，即控制系統(tǒng)基本概念與數(shù)學(xué)描述、分析方法、設(shè)計(jì)方法、驗(yàn)證與應(yīng)用四大塊。其中對(duì)具有基礎(chǔ)屬性尤其是學(xué)習(xí)后續(xù)課程不可缺少的基礎(chǔ)內(nèi)容應(yīng)該重點(diǎn)詳細(xì)講解。同樣，控制系統(tǒng)頻域及時(shí)域校正方法可以采用MATLAB方法完成。

3 理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

理論與實(shí)踐相結(jié)合，力求讓學(xué)生掌握扎實(shí)的理論基礎(chǔ)的同時(shí),獲得一定的實(shí)踐動(dòng)手能力和工程應(yīng)用認(rèn)識(shí)。這是目前高等工科院校在專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的共識(shí)和目標(biāo)，是專(zhuān)業(yè)課程設(shè)置和安排的指導(dǎo)思想。理論和實(shí)踐應(yīng)具有同等的地位，兩者相互聯(lián)系，密不可分，在教學(xué)中忽略任何一面都是不合理,不成功的。本文以教學(xué)實(shí)踐為基礎(chǔ)，對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行了一些思考。實(shí)驗(yàn)是對(duì)理論的應(yīng)用，有助于學(xué)生把枯燥抽象的理論形象化，從而加深對(duì)理論知識(shí)的理解。自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室配備自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)箱和小功率隨動(dòng)系統(tǒng)裝置。小型驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)在自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)箱上進(jìn)行。例如：在做一階環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能的實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)只有數(shù)學(xué)表達(dá)式，學(xué)生很難掌握其實(shí)際的電路及工程效果。

方框圖1：

圖1 -1

R0=200K，C=1μF時(shí)：理想階躍響應(yīng)曲線(xiàn)如圖1-1-1

圖1 -1-1

實(shí)測(cè)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)如圖1-1-2

如圖1-1-2

通過(guò)在控制系統(tǒng)的模擬裝置上搭建系統(tǒng)，調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)和計(jì)算機(jī)仿真，把之前用理論分析出的結(jié)果形象直觀(guān)的表達(dá)出來(lái)，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)物理概念的掌握，將抽象的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)聯(lián)系起來(lái)，提高學(xué)生的分析能力和實(shí)際操作能力，同時(shí)掌握了一階環(huán)節(jié)的的實(shí)際工程意義及各個(gè)參數(shù)的實(shí)際含義。

4 從實(shí)際控制系統(tǒng)入手進(jìn)行教學(xué)，強(qiáng)調(diào)工程和物理概念

“自動(dòng)控制原理”是一門(mén)理論性較強(qiáng)的課程，涉及知識(shí)面廣，信息量大，所涉及的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較為廣泛，從微積分、復(fù)變函數(shù)、離散數(shù)學(xué)到矩陣?yán)碚?。學(xué)生覺(jué)得難學(xué)，教師覺(jué)得難教。如果在教學(xué)過(guò)程中只注重一般的數(shù)學(xué)論證，缺乏工程和物理概念的闡述，學(xué)生學(xué)后不知用在哪里，如何運(yùn)用。學(xué)生在課堂上忙于做筆記，課后忙于根據(jù)公式作大量的習(xí)題，考完試后，公式忘掉了，腦子里一片空白。這樣的學(xué)習(xí)效果為后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及就業(yè)工作等帶來(lái)許多問(wèn)題，因此在知識(shí)的傳授中，特別要注重控制思想和工程背景。本課程的設(shè)置目的不僅是對(duì)這門(mén)學(xué)科知識(shí)的掌握，更重要的是在各行業(yè)中的具體工程應(yīng)用。因此在教學(xué)的全部過(guò)程中必須注重課程在工程的具體情況，并將工程的分析、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法滲入課程的教學(xué)中，如PID參數(shù)的整定及工程整定，可以通過(guò)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制來(lái)實(shí)例講解，并且借助于計(jì)算機(jī)輔助方法MatLab仿真[3]。

5 “自動(dòng)控制原理”與基礎(chǔ)課程的有機(jī)結(jié)合，拓寬學(xué)生的知識(shí)面

電子信息工程專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的“自動(dòng)控制原理”，“電路分析” 和“信號(hào)與系統(tǒng)”三門(mén)課，都是作為專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課開(kāi)設(shè)，兩門(mén)課程在內(nèi)容上存在一定的重復(fù)。將兩門(mén)課的內(nèi)容有機(jī)的結(jié)合在一起，做到一加一等于二，甚至大于二[4]?！半娐贩治觥焙汀白詣?dòng)控制原理”是不同性質(zhì)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，雖然在內(nèi)容上存在重復(fù)，但在思想體系及出發(fā)點(diǎn)上不同?！半娐贩治觥逼赜陔娐返奶幚砼c傳輸。而“自動(dòng)控制原理”則側(cè)重系統(tǒng)的應(yīng)用。因此在“自動(dòng)控制原理”的教學(xué)過(guò)程中，注重對(duì)基本概念、基本理論和基本方法的闡述，使學(xué)生了解到一定的工程應(yīng)用概念。在選用例子時(shí)，盡量選用實(shí)際控制系統(tǒng)的例子，這樣能夠使學(xué)生在很少的時(shí)間內(nèi)理解一般系統(tǒng)的控制規(guī)律，掌握控制系統(tǒng)的有關(guān)概念。而在講述數(shù)學(xué)模型中的信號(hào)流圖，采樣系統(tǒng)中的z變換和差分方程的求解等內(nèi)容時(shí)[5]。由于這部分內(nèi)容與“信號(hào)與系統(tǒng)”中的部分內(nèi)容相重復(fù)，就可簡(jiǎn)單講解。在“自動(dòng)控制原理”中不重點(diǎn)講述的脈沖響應(yīng)函數(shù)和卷積的概念，而在“信號(hào)與系統(tǒng)”中作為重點(diǎn)進(jìn)行闡述，這樣可以拓寬學(xué)生的知識(shí)面，為第三學(xué)年學(xué)生選專(zhuān)業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

6 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)控制原理作為電子信息工程與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生的一門(mén)關(guān)鍵專(zhuān)業(yè)課程，其教學(xué)質(zhì)量的好壞，直接影響到學(xué)生的就業(yè)及在該專(zhuān)業(yè)方向上的發(fā)展。在教學(xué)實(shí)踐中，筆者采用上述新的教學(xué)方法取得了很好的教學(xué)效果，學(xué)生普遍反映對(duì)該門(mén)課程的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性提高了，學(xué)習(xí)的效率和效果都有了很大的提高[6]。目前，該門(mén)課程的教學(xué)改革仍在繼續(xù)中，還有很多地方需要進(jìn)一步提高和完善。

[1]羅冀,程桂芬,等.控制工程與信號(hào)處理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[2]鄢景華,自動(dòng)控制理論[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2000.

[3]胡壽松,自動(dòng)控制原理(第四版)[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[4]鄭君里,應(yīng)啟珩,等.信號(hào)與系統(tǒng)(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2000.

[5]肖建章,自動(dòng)控制技術(shù)(第三版)[M].北京:中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社,2004.

[6]劉君編,計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)(第三版)[M].西安:西電科大出版社,2009.

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2011－04－10

項(xiàng)目資助：本課題由湖南科技學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目資助項(xiàng)目編號(hào)（XKYJ2010028）

徐曉（1974－），岳陽(yáng)人，湖南科技學(xué)院電子工程系副教授，研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制及計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)的研究與教學(xué)。

（責(zé)任編校：劉志壯）