自动控制原理教学体系构建的探究

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摘 要： 针对自动控制原理的教学，在课程内容和教学体系方面提出一系列改革的措施和方法。首先，以系统建模、系统分析和综合设计为课程主线强调工程背景;其次，结合控制理论的发展更新教学内容;最后，以培养高素质实践性人才为目标构建课程体系。并将这些改革措施应用于我校控制类专业的实际教学工作中，实践证明，改革后的自动控制原理教学体系更适合以培养高素质应用型人才为目标的西北工业大学明德学院。

关键词：自动控制原理 教学体系 教学改革

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2015）12-0243-01

自动控制原理是自动化专业、测控技术及仪器专业、机械设计及其自动化专业等专业的专业基础课程。自动控制原理是一门理论与实践并重，工程性、综合性、方法性、实践性很强的课程。从优化课程设置总体的角度出发，为了恰当地解决好“基础与应用”、“理论与实践”、“重点内容与知识面”等矛盾，使自动控制原理系列课程内容体系具有系统性、科学性、先进性、实用性。我们对课程体系进行了改革，确立了以系统分析、系统建模、系统综合为自动控制原理课程的主线，构建了由时域分析、复域分析、频域分析、系统校正4个模块构成的知识体系。

对教学内容改革，以突出控制理论的物理概念及工程背景，淡化数学证明为原则，在现有的基础上，继续整合、优化课程内容，进一步明确课程体系结构、组织方式，理顺本课程和相关课程的知识联系，注重突出工业控制特色，体现控制理论在工业控制中的应用。通过讲座的形式向学生介绍自动控制发展的最新动向、最新技术，弥补课堂教学时数的限制与教材的滞后。

一、以系统建模、系统分析和综合设计为课程主线强调工程背景

自动控制原理是一门理论性、实践性和综合性强的课程，内容多，概念抽象，涉及面广，学生普遍感到有一定的难度。如何在有限的课时内让学生熟练掌握控制理论的基础原理，加强能力的培养，成为本课程改革的关键。我们团队的教学思路是：从课程的体系出发，以系统建模―系统分析―综合设计作为课程主线，强调工业控制背景，突出实际应用能力的培养。

数学模型是描述系统内部各物理量（或变量）之间关系的数学表达式，建立一个合理的模型是系统分析和设计的前提。在讲述这部分的内容时，注意选取有一定工程背景的系统，讲清楚模型参数的物理意义，使得学生正确理解实际模型与抽象数学模型的区别和联系。从不同的角度对系统进行建模，有助于学生加深对这方面内容的理解。例如对于自动化类专业的学生可用电机调速系统为例，通过建立它的微分方程、传递函数、结构图、信号流图这些不同的数学模型，来建立各模型的联系。

系统分析方法是控制系统综合设计的基础，这部分的内容主要包括时域法、根轨迹法、频域响应法，是控制理论教学的重点。在控制系统中，稳定性、快速性和准确性是对控制系统的基本要求，也是衡量系统性能的重要指标，控制系统不同的分析问题方法都是紧紧围绕这三个方面展开的。只要抓住这个特点，就抓住了系统分析的关键，有助于学生加深对不同方法的理解。系统设计是综合利用理论知识使系统的性能指标全面满足要求的过程，对培养学生的分析、综合能力及创新能力十分重要，也是教学的难点。我们的做法是：选取控制工程中的典型范例，突出工程背景，从实际控制系统中去了解系统的结构特征、工作原理和设计要求，拓宽学生的视野，激发他们的创新欲望。例如以工业控制中最常见的直流电机转速控制为例，要求学生应用系统辨识的方法求数学模型后，根据性能指标设计控制器，达到控制电机转速的目的。这些生动的工程实例大大激发了学生的兴趣，使学生感受到了控制理论的魅力，深刻理解了“学以致用”意义，在分析问题、解决问题的过程中，使课程的学习达到知识和能力两方面的目标。

二、结合控制理论的发展更新教学内容

近年来，控制理论得到了蓬勃发展，特别在非线性控制、分布参数控制、鲁棒控制、自适应控制、智能控制等方向上取得了重要进展。这就要求教师对本学科发展有一个较好的把握，注意处理好经典的基本理论和新技术的关系，从中选取一些比较符合课程要求的理论知识，在讲课过程中及时介绍给学生，以保持课程内容的先进性。例如每章结束后都会留出一定的时间，介绍本学科的发展动态，这种方法扩大了学生的知识面，培养了他们探索科学技术的兴趣，深受同学们的欢迎。

随着电力、电子、控制技术、通讯及信息技术等的不断发展，工业控制的自动化程度大大地提高。新一代大功率半导体电力电子器件，在材料、理论、机理、制造工艺和应用技术等方面的研究开发，取得了突破性的进展，过程控制设备进一步向高可靠、节能型方向发展;可编程序控制器和单片机已逐渐发展成为工业控制中的一种普遍控制方式。自动控制原理课程虽然是电专业的基础专业课程，但是一般学时安排也不十分充裕。要想在有限的时间内把这门理论性和工程应用性都很强的课程教好，必须针对不同专业合理组织教学内容。必须以课程教学大纲为依托，根据专业的特点和实际需要，重点讲授基本概念、基本原理和基本方法。另外，通过讲座的形式向学生介绍自动控制发展的最新动向、最新技术，弥补课堂教学时数的限制和教材的滞后，每届学生安排1-2次主题为“先进控制理论与应用”的讲座。

三、以培养高素质实践性人才为目标构建课程体系

自动控制原理课程理论性、实践性和综合性都很强，涉及到多学科的交叉，以培养高素质实践性人才为目标通过改革，建立新的自动控制课程体系。在教学过程中，把自动控制、计算机技术、电子技术和传感器技术有机地融为一体，使学生对控制系统的组成、分析、设计、综合等各个环节及系统概念有全面的理解，并通过一系列的实践环节，如综合实验和课程设计，培养学生的综合实践能力。自动控制系统综合解析图如图1所示。

图1 自动控制系统综合解析图

自动控制原理课程确立以系统建模、系统分析、系统综合（校正）为自动控制原理课程的主线，构建由时域分析、复域分析、频域分析为基础，连续系统、离散系统和非线性系统为对象的的知识体系。自动控制原理知识体系如图2所示。

图2 自动控制原理知识体系

理论教学主要任务是保证学生对基础理论的获取和形成良好的知识结构，而实践环节则是把培养学生的实验技能、设计能力和创新能力放在首位。根据不同专业学生的特点，我们把实验体系分为三个体系：基础性实验、设计性实验及综合性实验。实验内容也进行了改革，密切结合计算机应用和专业课程的特点，利用仿真语言MATLAB的强大功能，使学生在系统分析、设计、校正和调试能力方面有很大提高，调动了学生的积极性，锻炼了学生的能力。

四、结语

自动控制原理是控制类专业的一门基于实践的专业基础课，是广大学生学习专业知识的基础，我院越来越重视此类课程的教学改革，经过自动控制原理课程组全体教师多年的努力，积极开展了自动控制课程体系和教学内容改革，使得课程教学质量不断提升。

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