應(yīng)用型本科院校的《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)研究與探索

華貴山

（滁州學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 滁州 239000）

應(yīng)用型本科院校的《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)研究與探索

華貴山

（滁州學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 滁州 239000）

《自動(dòng)控制原理》是一門(mén)理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的一門(mén)重要基礎(chǔ)課程，結(jié)合該課程的特點(diǎn)及應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的需要，針對(duì)目前該課程教學(xué)中普遍存在的內(nèi)容多，學(xué)時(shí)少的矛盾，為了全面提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)課的興趣和熱情，就優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法、加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)、注重個(gè)性發(fā)展和提高學(xué)生創(chuàng)新能力等方面進(jìn)行了研究與探索，并在教學(xué)實(shí)踐中取得了良好效果，為教學(xué)提供了新的思路。

應(yīng)用型本科院校；自動(dòng)控制原理；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法

隨著我國(guó)高校大規(guī)模的擴(kuò)招，高等教育已由精英型教育過(guò)渡到大眾型教育，教學(xué)對(duì)象的階梯層次也發(fā)生了較大的變化［1］。目前，在擴(kuò)招量較大的本科第二批招生院校中普遍存在兩個(gè)問(wèn)題：一方面，學(xué)生理論知識(shí)基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)能力等方面的素質(zhì)相對(duì)下降；另一方面，社會(huì)對(duì)大量應(yīng)用型人才的迫切需求。因此，在我國(guó)現(xiàn)有的高等教育規(guī)模及經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢(shì)下，社會(huì)對(duì)各類各層次人才的需求結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生了變化。大批量擴(kuò)招的學(xué)生進(jìn)入社會(huì)后，他們必將成為應(yīng)用型人才的社會(huì)需求主體?！蹲詣?dòng)控制原理》課程的教學(xué)，在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都比較強(qiáng)調(diào)它的理論性，因此，很多學(xué)生認(rèn)為該門(mén)課程是一門(mén)“應(yīng)用數(shù)學(xué)課程”，而忽略了它的實(shí)踐性，教學(xué)手段也往往是“講課＋黑板”，或是用PowerPoint代替黑板的作用，實(shí)驗(yàn)也不多，缺乏對(duì)學(xué)生應(yīng)用能力和綜合能力的培養(yǎng)，這與應(yīng)用型本科院校的主要任務(wù)：實(shí)施應(yīng)用性本科教育，培養(yǎng)大量應(yīng)用型創(chuàng)新人才相悖。因此，更新教學(xué)觀念，在教學(xué)方法，教學(xué)內(nèi)容等方面注入新的元素，以適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，成為我們今后課程教學(xué)改革的主要任務(wù)。

1 教材建設(shè)的研究與探索

提高教材水平是提高教學(xué)質(zhì)量的重要方面。優(yōu)秀教材能夠積累、傳承教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。目前，大部分出版社都出版了多本《自動(dòng)控制原理》或者相近的教材。面對(duì)種類繁多的教材，教師很難選擇，因此，如何提高教材質(zhì)量是當(dāng)前教材建設(shè)的主要問(wèn)題。目前，可供選擇的教材可分為三大類［2］：第一類是針對(duì)研究型大學(xué)編寫(xiě)的教材。這類教材的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)、深入，例題多，學(xué)生自主靜心研讀這類教材，能夠深入全面地掌握自動(dòng)控制原理。這類教材的缺點(diǎn)是教材比較厚，學(xué)生望而生畏。對(duì)于一般學(xué)校的學(xué)生往往由于基礎(chǔ)與學(xué)習(xí)積極性差，能夠上課，認(rèn)真聽(tīng)課已經(jīng)很不錯(cuò)了，很少能夠再在課后潛心閱讀，許多學(xué)生干脆不讀。第二類是針對(duì)教學(xué)研究型大學(xué)編寫(xiě)的教材。這類教材的特點(diǎn)是教材不太厚，語(yǔ)言比較簡(jiǎn)明，但內(nèi)容還比較深入。學(xué)生看到這些教材感覺(jué)比較容易學(xué)習(xí)，能夠有耐心去閱讀。教師可以剖析教材，進(jìn)行充分發(fā)揮。學(xué)生課后進(jìn)一步閱讀能夠不斷深入。既能讓許多課堂上認(rèn)真聽(tīng)課、課后稍微看點(diǎn)書(shū)的學(xué)生基本掌握教學(xué)內(nèi)容，又能夠滿足一些優(yōu)秀學(xué)生深入學(xué)習(xí)的要求。第三類是針對(duì)教學(xué)型大學(xué)編寫(xiě)的教材。這類教材是只講最基本的理論與方法，注重實(shí)用性。教材敘述詳細(xì)通俗，學(xué)生容易閱讀和掌握，特別是通過(guò)較多的例題讓學(xué)生掌握基本教學(xué)內(nèi)容。這類教材只要求學(xué)生能掌握自動(dòng)控制原理的基本概念和方法。對(duì)于象滁州學(xué)院這類應(yīng)用型本科院校，應(yīng)選擇有一定深度的《自動(dòng)控制原理》教材，既方便部分學(xué)生考研，又能促進(jìn)大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

2 教學(xué)內(nèi)容的研究與探索

不斷對(duì)教學(xué)內(nèi)容梳理、去粗取精，講清基本理論與實(shí)用方法，特別是有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容。刪除有些可以根據(jù)基本方法進(jìn)一步得到或者不是很常用的內(nèi)容?！蹲詣?dòng)控制原理》在我校自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中該課程僅有72學(xué)時(shí)，而電科和電信則學(xué)時(shí)更少，其中還包括實(shí)驗(yàn)12學(xué)時(shí)。在剩下的為數(shù)不多的學(xué)時(shí)中要把原有理論及推導(dǎo)、計(jì)算面面俱到，還要兼顧工程應(yīng)用是不現(xiàn)實(shí)的。如何解決這一矛盾？我們從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用、理論聯(lián)系實(shí)際角度出發(fā)，對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，對(duì)于內(nèi)容陳舊、過(guò)時(shí)或?qū)嵱脙r(jià)值不大的知識(shí)點(diǎn)則少講或不講，對(duì)于一些理論與實(shí)踐結(jié)合的內(nèi)容進(jìn)行必要的增加和充實(shí)。比如根軌跡，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用根軌跡法分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)很少見(jiàn)，但作為自動(dòng)控制理論中的一種經(jīng)典方法又不能不講，于是，我們?cè)谥v授時(shí)先用MATLAB繪制根軌跡，然后用較少的學(xué)時(shí)講清根軌跡的分布和動(dòng)態(tài)性能的關(guān)系就可以了。再比如非線性控制系統(tǒng)這一章，描述函數(shù)法和相平面法在實(shí)際中的應(yīng)用也很少，分配給這一章的學(xué)時(shí)數(shù)就要壓縮，因此我們只講基本原理，對(duì)相平面圖的繪制采用計(jì)算機(jī)軟件教學(xué)。而對(duì)于采樣控制系統(tǒng)這一章，隨著計(jì)算機(jī)控制在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用增多，講授時(shí)首先要增加一些計(jì)算機(jī)應(yīng)用實(shí)例，再引申到分析采樣系統(tǒng)的理論當(dāng)中，使學(xué)生體會(huì)到本課程在解決工程問(wèn)題上的價(jià)值，從而增加學(xué)生學(xué)習(xí)理論的積極性。

3 教學(xué)方法的研究與探索

3.1 認(rèn)真上好第一次課，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

提高學(xué)習(xí)興趣在第一次課前用簡(jiǎn)練的語(yǔ)言概括介紹《自動(dòng)控制原理》一課在本專業(yè)的地位，引起學(xué)生對(duì)該課程的重視，學(xué)生對(duì)課程的重視程度會(huì)直接影響其學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。在緒論中通過(guò)介紹《自動(dòng)控制原理》在生活、生產(chǎn)實(shí)際中的廣泛應(yīng)用，把課程的學(xué)習(xí)和學(xué)生的生活及將來(lái)的工作聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)一步提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)介紹就業(yè)形勢(shì)的嚴(yán)峻，讓學(xué)生懂得《自動(dòng)控制原理》作為考研必選科目是將來(lái)深造的基礎(chǔ)，提高準(zhǔn)備繼續(xù)深造的同學(xué)對(duì)其重要性的認(rèn)識(shí)。

3.2 《自動(dòng)控制原理》教學(xué)要聯(lián)系工程實(shí)際，這是非常重要但又很難解決的問(wèn)題

改革方向是將控制理論與工程實(shí)際相結(jié)合，因此，有些教材根據(jù)不同的教學(xué)對(duì)象增加了一些工程系統(tǒng)實(shí)例［3］，例如航空航天系統(tǒng)、冶金系統(tǒng)、機(jī)器人、過(guò)程控制系統(tǒng)等，但收效甚微。主要原因是學(xué)生還沒(méi)接觸專業(yè)內(nèi)容；教師對(duì)本專業(yè)以外的工程實(shí)例往往也不清楚，很難在教學(xué)中講清楚。解決辦法是每個(gè)教師根據(jù)自己熟悉的一些工程系統(tǒng)，選擇適合所教學(xué)生專業(yè)的工程案例進(jìn)行介紹。特別是多介紹一些工程中的控制問(wèn)題以及解決思路。

3.3 將仿真軟件引入到課程教學(xué)中

學(xué)生普遍感覺(jué)《自動(dòng)控制原理》中計(jì)算和繪圖很多，望而生畏。采用計(jì)算機(jī)多媒體教學(xué)是提高《自動(dòng)控制原理》課程教學(xué)效果的重要手段，多媒體教學(xué)可利用豐富的畫(huà)面和形象的動(dòng)畫(huà)，直觀地將知識(shí)和信息展現(xiàn)在學(xué)生面前，能夠提高學(xué)生聽(tīng)課的興趣，強(qiáng)化知識(shí)的理解和吸收。因此我們將MATLAB引入到自動(dòng)控制原理的教學(xué)中來(lái)。例如在自動(dòng)控制原理時(shí)域分析方法中常需要通過(guò)分析階躍響應(yīng)曲線，來(lái)求系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，如上升時(shí)間tr，峰值時(shí)間tp，最大百分比超調(diào)量σp%，調(diào)整時(shí)間ts；根軌跡法需要繪制根軌跡圖；頻域分析法需要繪制波德圖和極坐標(biāo)圖，并通過(guò)求相角欲量和幅值裕量以判斷控制系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。對(duì)以上圖形進(jìn)行分析、計(jì)算、描點(diǎn)等常常需要花費(fèi)不少時(shí)間，并且結(jié)果也不是十分準(zhǔn)確。如果我們采用MATLAB工具則只需要幾條簡(jiǎn)單的指令就可以得到相應(yīng)的圖形和計(jì)算結(jié)果，同時(shí)還具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：（1）能方便地觀察參數(shù)變化對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性的影響；（2）可避免求解高階方程的根和對(duì)計(jì)算高階系統(tǒng)階躍響應(yīng)指標(biāo)等繁瑣的數(shù)學(xué)問(wèn)題；（3）減少傳統(tǒng)理論教學(xué)中教師在黑板上畫(huà)圖所耗費(fèi)的時(shí)間及手工畫(huà)圖的不精確。在下面實(shí)例1的演示中，體現(xiàn)了在課堂教學(xué)中引入仿真軟件的優(yōu)越性。

實(shí)例1某系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

用MATLAB繪制其階躍響應(yīng)曲線并求其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，幅值穿越頻率，相位穿越頻率，幅值裕量，相角裕量。

程序如下：

程序運(yùn)行結(jié)果如圖1所示。

圖1 某系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線

從圖1中可直接讀出上升時(shí)間tr＝2.40，峰值時(shí)間tp＝3.67，調(diào)整時(shí)間ts＝8.79（±2%誤差），并能很容易地通過(guò)觀察圖1，根據(jù)最大百分比超調(diào)量公式算出：

從程序計(jì)算的結(jié)果可知：相角欲量Pm＝43.2099，幅值裕量Gm＝6.0000，相位穿越頻率Wg＝2.2361，幅值穿越頻率Wc＝0.7793。這樣就避免了求解高階方程的根。利用MATLAB函數(shù)［P Z］＝pzmap（bh）（其中bh為閉環(huán)傳遞函數(shù)）可求解閉環(huán)特征方程的根，并判斷其根是否全部位于左半平面，從而得出系統(tǒng)是否穩(wěn)定。也可用函數(shù)rlocus（gh），nyguist（gh），bode（gh），分別繪制根軌跡圖，奈奎斯特圖和波德圖，其中參數(shù)gh是開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的表達(dá)式，則所需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如根軌跡上的分離點(diǎn)、匯合點(diǎn)、與虛軸交點(diǎn)的坐標(biāo)和增益值等，就可以從繪制的圖中用鼠標(biāo)直接點(diǎn)取相應(yīng)的點(diǎn)獲得，同樣也可方便的用繪制的根軌跡圖，奈奎斯特圖和波德圖來(lái)分析系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)實(shí)例l中的一些MATLAB仿真語(yǔ)句的簡(jiǎn)單介紹，不僅可以對(duì)書(shū)上的結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，而且用MATLAB軟件得到的圖形更有利于分析系統(tǒng)的性能，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣以提高教學(xué)質(zhì)量。另外，通過(guò)適時(shí)地穿插應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行演示教學(xué)，將教學(xué)內(nèi)容按照一定的結(jié)構(gòu)順序用簡(jiǎn)潔的文字，豐富的畫(huà)面，逼真的動(dòng)畫(huà)以及聲音等形象直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，將學(xué)生帶入一個(gè)形象、具體的環(huán)境中，使教學(xué)的概念實(shí)體化，有利于教學(xué)內(nèi)容的理解和掌握，在很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的直觀性和動(dòng)感性方面的不足。

4 教學(xué)實(shí)踐的研究與探索

構(gòu)建應(yīng)用型本科院校課程體系必須注重基礎(chǔ)理論教學(xué)，拓寬學(xué)生的專業(yè)知識(shí)面，同時(shí)要高度重視實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)基礎(chǔ)理論教學(xué)與實(shí)踐應(yīng)用的相互融合，通過(guò)實(shí)踐項(xiàng)目提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。根據(jù)我們目前現(xiàn)有的條件，《自動(dòng)控制原理》實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為兩大模塊：（1）Matlab軟件的仿真實(shí)驗(yàn)，在建立典型環(huán)節(jié)、系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，編制相應(yīng)的程序，通過(guò)調(diào)整參數(shù)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)性能的分析和比較，由此驗(yàn)證課堂上所學(xué)的理論知識(shí)；（2）使用TKKL－4型控制理論／計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，要求學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)箱上的模擬電路單元，通過(guò)接線的方式先把模擬電路搭建好，然后利用上位機(jī)或者實(shí)驗(yàn)箱提供信號(hào)發(fā)生器和示波器功能，完成典型系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)誤差

和頻率特性測(cè)量等。通過(guò)《自動(dòng)控制原理》課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生所學(xué)到的電子技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，電機(jī)與拖動(dòng)技術(shù)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等知識(shí)得以綜合運(yùn)用，增強(qiáng)用科學(xué)方法分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，加強(qiáng)了對(duì)學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)應(yīng)用型本科院校學(xué)生進(jìn)行自動(dòng)控制原理授課探索的過(guò)程中，教師應(yīng)基于“理論必須夠用，加強(qiáng)實(shí)踐”的原則，理論與實(shí)踐充分結(jié)合，培養(yǎng)面向現(xiàn)代社會(huì)的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)所需的復(fù)合應(yīng)用型人才。在工業(yè)、工程領(lǐng)域的生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)等第一線崗位，直接解決實(shí)際問(wèn)題，維持生產(chǎn)建設(shè)的正常運(yùn)行?？傊?，通過(guò)教學(xué)改革，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)《自動(dòng)控制原理》課的積極性，學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，創(chuàng)新能力也有了進(jìn)一步提高。實(shí)踐證明，學(xué)生在課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)中所形成的綜合創(chuàng)新實(shí)踐能力不斷提高，學(xué)生在實(shí)踐課程中形成的綜合創(chuàng)新實(shí)踐能力在學(xué)校創(chuàng)新活動(dòng)及各類電子設(shè)計(jì)大賽活動(dòng)中都得到了充分印證。

［1］韓桂華，王 鈺.應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式下的大學(xué)物理課程教學(xué)改革［J］.黑龍江高教研究，2009（6）：186.

［2］王萬(wàn)良.《自動(dòng)控制原理》國(guó)家精品課程建設(shè)與教學(xué)方法探討［R］.第六屆電子電氣課程報(bào)告論壇安徽地區(qū)分論壇，合肥，2010－04－24.

［3］胡壽松.自動(dòng)控制原理（第四版）［M］.北京：科學(xué)出版社，2003：1－11.

G642

A

1673-1794（2012）05-0116-03

華貴山（1972－），男，安徽滁州人，講師，工學(xué)碩士，主要研究方向：控制理論、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)。

2012-02-14