自動控制原理課程的教材分析與研究

陶洪峰

江南大學(xué)教育部輕工過程先進控制重點實驗室 江蘇無錫 214122

自動控制原理課程的教材分析與研究

陶洪峰

江南大學(xué)教育部輕工過程先進控制重點實驗室 江蘇無錫 214122

自動控制原理是自動化專業(yè)及其他相關(guān)專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程。針對現(xiàn)今教材中普遍存在的一些問題，就體系優(yōu)化、內(nèi)容更新和平臺搭建等方面進行分析和研究，不僅強調(diào)工程背景和互動教育，而且為學(xué)生創(chuàng)新思維與實踐能力的培養(yǎng)提供思路。

自動控制原理；教材；專業(yè)課程

Author’s addressKey Laboratory of Advanced Process Control for Light Industry (Ministry of Education), Jiangnan University, Wuxi, Jiangsu, China 214122

自動控制原理是自動化專業(yè)及其他相關(guān)專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，特點是內(nèi)容多、理論性強，對數(shù)學(xué)及電路基礎(chǔ)等的要求較高，在人才培養(yǎng)中占有極為重要的地位。而教材是課程的根本，也是教育教學(xué)改革的重點和難點。

雖然目前自動控制原理課程的教材種類繁多，但水平參差不齊，一些教材的系統(tǒng)實踐性不強，與國內(nèi)外高新技術(shù)的發(fā)展有距離，教材結(jié)構(gòu)中創(chuàng)新思維與能力培養(yǎng)偏弱，教材中的方法偏陳舊繁瑣，并沒有跟上自動化技術(shù)的發(fā)展，無法給學(xué)生提供先進的研究方法與平臺，不利于創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

針對上述問題，廣泛征求意見，總結(jié)教育教學(xué)方法，在自動控制原理課程的教材編寫和應(yīng)用上進行一定的思考和探索。

1 重組教材體系和教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)資源配置

以培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型自動化專業(yè)人才為主要目標，以理論密切聯(lián)系工程實際為主線，突出系統(tǒng)性及邏輯性強，科學(xué)理論嚴謹，以完整的邏輯性和系統(tǒng)性編排自動控制原理的各個方面，教材內(nèi)容的闡述堅持深入淺出，方便教與學(xué)。自動控制原理課程的教學(xué)內(nèi)容目前全國基本一致，一般都分為緒論、數(shù)學(xué)建模、時域分析、復(fù)域分析、頻域分析、校正設(shè)計、離散系統(tǒng)和狀態(tài)空間這幾章[1]，結(jié)合教學(xué)實踐對各章內(nèi)容進行優(yōu)化。下面舉例說明。

1）在數(shù)學(xué)建模這一章，由于控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是描述系統(tǒng)內(nèi)部物理量（或變量）之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達式，因此傳遞函數(shù)是教學(xué)重點，結(jié)構(gòu)圖變換和梅森公式方法都應(yīng)該有所介紹，但允許側(cè)重。目前有一些教材完全從圖論角度來進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的等效變換和簡化，這樣似乎摒棄了這門課程的工科性質(zhì)，變成純數(shù)學(xué)的理論，且容易讓學(xué)生沒有信號變換的物理概念，不利于今后與實際應(yīng)用時的銜接。

2）在時域分析這一章，評價控制系統(tǒng)的性能，就需要重點講授典型輸入信號與性能指標定義，主要分析一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)的性能數(shù)值分析，便于學(xué)生理解完整的概念和方法。而對于高階系統(tǒng)的近似公式等就不需要做詳細介紹，這一知識點完全可以依托MATLAB軟件來闡述和分析[2]。但主導(dǎo)極點的概念一定要強化，因為這涉及高階系統(tǒng)如何轉(zhuǎn)化為近似低階系統(tǒng)來進行分析的方法，在工程上也經(jīng)常采用。這樣一來，整個內(nèi)容的編排就有了一個漸進和融通的過程。

3）在非線性系統(tǒng)這一章，由于在實際控制對象中，任何物理系統(tǒng)都不同程度地帶有非線性特性，因此就要重點介紹典型非線性環(huán)節(jié)的性質(zhì)和作用，以及強調(diào)這些環(huán)節(jié)在工程上和物理上的具體體現(xiàn)，而不能從純數(shù)學(xué)角度來分析。另外，筆者認為，相平面圖的繪制法在目前需要簡化，要掌握通過MATLAB軟件來繪制的方法；但是從相平面圖上來進行系統(tǒng)分析還是需要掌握的，因為這是一個從多維空間角度來分析系統(tǒng)的方法，當然狀態(tài)空間部分也是；描述函數(shù)法的穩(wěn)定性分析則需要和頻域法進行統(tǒng)一，讓學(xué)生建立統(tǒng)一的觀點，并強化非線性系統(tǒng)中特有的自振現(xiàn)象。

因此，針對教學(xué)實際需要，對教材內(nèi)容進行重新編排和優(yōu)化，有利于開展教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的思考和工作能力，全面升華控制理論的知識應(yīng)用。

2 內(nèi)容緊密結(jié)合工程應(yīng)用實際，開闊學(xué)生視野

工科課程理論聯(lián)系實際的特點不僅體現(xiàn)在教材中數(shù)學(xué)實例的分析，更重要的是要強調(diào)理論最終服務(wù)于實踐的方法和途徑[3]。教材內(nèi)容指明理論成果源于實踐需求，以實例應(yīng)用表明理論的正確性與可行性，凸現(xiàn)工程背景，進行啟發(fā)式誘導(dǎo)和科學(xué)性解題。同時教材可適當面向高新技術(shù)，促使學(xué)生強化創(chuàng)新思維與能力培養(yǎng)。在教材的應(yīng)用上：1）指明工程背景及應(yīng)用場合，明確設(shè)計要求及設(shè)計指標；2）啟發(fā)性誘導(dǎo)，指出設(shè)計問題的切入點及注意事項；3）指明邏輯思維過程及明晰求解層次；4）綜合應(yīng)用各種理論方法，分析設(shè)計結(jié)果的合理性及實現(xiàn)的可能性；5）協(xié)調(diào)設(shè)計指標的滿意性，修改設(shè)計參數(shù)，達到和諧效果；6）設(shè)計過程及結(jié)果的驗證與仿真；7）自行完成設(shè)計過程的擴展，指出改善性能的可能途徑和方法，達到進一步改進控制性能的目的。

以上針對教材內(nèi)容的“七步教學(xué)法”，可以提高知識綜合應(yīng)用能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，強化素質(zhì)培養(yǎng)。

3 依托教材搭建研究平臺，促進互動教學(xué)模式開展

以基于MATLAB的輔助分析方法貫穿教材，開展理論及方法的研究，摸索多元化的教學(xué)方法，搭建全方位的教學(xué)平臺，注重自動控制理論的系統(tǒng)性和實用性，有效增強教學(xué)效果。給出的MATLAB程序具有可擴展性，便于學(xué)生今后修改以獨立進行創(chuàng)新性研究，從而可以開展因材施教，全面提高定性分析、定量計算、綜合應(yīng)用以及數(shù)形結(jié)合的能力。促進課內(nèi)與課外相結(jié)合，教師與學(xué)生共討論的互動教學(xué)模式的開展，提高教學(xué)質(zhì)量。依托教材搭建的教學(xué)研究平臺，可以形成教學(xué)與應(yīng)用的完整知識封閉鏈，集理論教學(xué)、綜合設(shè)計、應(yīng)用訓(xùn)練、課堂討論、個性化作業(yè)及能力培養(yǎng)于一體，促進知識、能力與素質(zhì)培養(yǎng)的全面協(xié)調(diào)發(fā)展。

4 結(jié)束語

總之，自動控制原理課程的工科背景，決定了教材的改革要始終堅持強化理論聯(lián)系實際，緊密結(jié)合工程實踐，以與時俱進的態(tài)度進一步優(yōu)化內(nèi)容，突出傳統(tǒng)知識和高新技術(shù)、基礎(chǔ)技能和創(chuàng)新能力的共同培養(yǎng)。同時以優(yōu)秀的教材建設(shè)為平臺，促進教學(xué)理念和方法的進一步深化和提高。

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

[2]薛定宇.控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計:MATLAB語言與應(yīng)用[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社,2006

[3]張敏.理論與實踐相結(jié)合在“自動控制原理”課程中的新探索[J].中國電力教育,2010(19):77-78

Analysis and Research on Teaching Materials of Automatic Control Principles

//Tao Hongfeng

Automatic Control Principles is an important technology basic course for automation specialty or relative. According to the basic problems exist in current teaching materials, the paper analyzes the difficulty of system optimization, content renewal and the construct of teaching platform. It not only emphasizes the engineering background and the interactive education, but also provides the access to bring up student’s creative thinking and the ability of practice.

automatic control principles; teaching materials; specialized courses

G642

B

1671-489X(2011)12-0031-02

作者：陶洪峰，博士，副教授，研究方向為過程控制與優(yōu)化。

10.3969/j.issn.1671-489X.2011.12.031