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自動控制原理教學體系構建的探究
摘要：針對自動控制原理的教學，在課程內容和教學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強調工程背景;其次，結合控制理論的發展更新教學內容;最后，以培養高素質實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校控制類專業的實際教學工作中，實踐證明，改革后的自動控制原理教學體系更適合以培養高素質應用型人才為目標的西北工業大學明德學院。
關鍵詞：自動控制原理 教學改革 教學體系
自動控制原理是自動化專業、測控技術及儀器專業、機械設計及其自動化專業等專業的專業基礎課程。自動控制原理是一門理論與實踐并重，工程性、綜合性、方法性、實踐性很強的課程。從優化課程設置總體的角度出發，為了恰當地解決好“基礎與應用”、“理論與實踐”、“重點內容與知識面”等矛盾，使自動控制原理系列課程內容體系具有系統性、科學性、先進性、實用性。我們對課程體系進行了改革，確立了以系統分析、系統建模、系統綜合為自動控制原理課程的主線，構建了由時域分析、復域分析、頻域分析、系統校正4個模塊構成的知識體系。
對教學內容改革，以突出控制理論的物理概念及工程背景，淡化數學證明為原則，在現有的基礎上，繼續整合、優化課程內容，進一步明確課程體系結構、組織方式，理順本課程和相關課程的知識聯系，注重突出工業控制特色，體現控制理論在工業控制中的應用。通過講座的形式向學生介紹自動控制發展的最新動向、最新技術，彌補課堂教學時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強調工程背景
自動控制原理是一門理論性、實踐性和綜合性強的課程，內容多，概念抽象，涉及面廣，學生普遍感到有一定的難度。如何在有限的課時內讓學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鍵。我們團隊的教學思路是：從課程的體系出發，以系統建模―系統分析―綜合設計作為課程主線，強調工業控制背景，突出實際應用能力的培養。
數學模型是描述系統內部各物理量(或變量)之間關系的數學表達式，建立一個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，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，使得學生正確理解實際模型與抽象數學模型的區別和聯系。從不同的角度對系統進行建模，有助于學生加深對這方面內容的理解。例如對于自動化類專業的學生可用電機調速系統為例，通過建立它的微分方程、傳遞函數、結構圖、信號流圖這些不同的數學模型，來建立各模型的聯系。
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域法、根軌跡法、頻域響應法，是控制理論教學的重點。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題方法都是緊緊圍繞這三個方面展開的。只要抓住這個特點，就抓住了系統分析的關鍵，有助于學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足要求的過程，對培養學生的分析、綜合能力及創新能力十分重要，也是教學的難點。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，拓寬學生的視野，激發他們的創新欲望。例如以工業控制中最常見的直流電機轉速控制為例，要求學生應用系統辨識的方法求數學模型后，根據性能指標設計控制器，達到控制電機轉速的目的。這些生動的工程實例大大激發了學生的興趣，使學生感受到了控制理論的魅力，深刻理解了“學以致用”意義，在分析問題、解決問題的過程中，使課程的學習達到知識和能力兩方面的目標。
二、結合控制理論的發展更新教學內容
近年來，控制理論得到了蓬勃發展，特別在非線性控制、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展。這就要求教師對本學科發展有一個較好的把握，注意處理好經典的基本理論和新技術的關系，從中選取一些比較符合課程要求的理論知識，在講課過程中及時介紹給學生，以保持課程內容的先進性。例如每章結束后都會留出一定的時間，介紹本學科的發展動態，這種方法擴大了學生的知識面，培養了他們探索科學技術的興趣，深受同學們的歡迎。
隨著電力、電子、控制技術、通訊及信息技術等的不斷發展，工業控制的自動化程度大大地提高。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等方面的研究開發，取得了突破性的進展，過程控制設備進一步向高可靠、節能型方向發展;可編程序控制器和單片機已逐漸發展成為工業控制中的一種普遍控制方式。自動控制原理課程雖然是電專業的基礎專業課程，但是一般學時安排也不十分充裕。要想在有限的時間內把這門理論性和工程應用性都很強的課程教好，必須針對不同專業合理組織教學內容。必須以課程教學大綱為依托，根據專業的特點和實際需要，重點講授基本概念、基本原理和基本方法。另外，通過講座的形式向學生介紹自動控制發展的最新動向、最新技術，彌補課堂教學時數的限制和教材的滯后，每屆學生安排1-2次主題為“先進控制理論與應用”的講座。
三、以培養高素質實踐性人才為目標構建課程體系
自動控制原理課程理論性、實踐性和綜合性都很強，涉及到多學科的交叉，以培養高素質實踐性人才為目標通過改革，建立新的自動控制課程體系。在教學過程中，把自動控制、計算機技術、電子技術和傳感器技術有機地融為一體，使學生對控制系統的組成、分析、設計、綜合等各個環節及系統概念有全面的理解，并通過一系列的實踐環節，如綜合實驗和課程設計，培養學生的綜合實踐能力。自動控制系統綜合解析圖如圖1所示。
圖1 自動控制系統綜合解析圖
自動控制原理課程確立以系統建模、系統分析、系統綜合(校正)為自動控制原理課程的主線，構建由時域分析、復域分析、頻域分析為基礎，連續系統、離散系統和非線性系統為對象的的知識體系。自動控制原理知識體系如圖2所示。
圖2 自動控制原理知識體系
理論教學主要任務是保證學生對基礎理論的獲取和形成良好的知識結構，而實踐環節則是把培養學生的實驗技能、設計能力和創新能力放在首位。根據不同專業學生的特點，我們把實驗體系分為三個體系：基礎性實驗、設計性實驗及綜合性實驗。實驗內容也進行了改革，密切結合計算機應用和專業課程的特點，利用仿真語言MATLAB的強大功能，使學生在系統分析、設計、校正和調試能力方面有很大提高，調動了學生的積極性，鍛煉了學生的能力。
四、結語
自動控制原理是控制類專業的一門基于實踐的專業基礎課，是廣大學生學習專業知識的基礎，我院越來越重視此類課程的教學改革，經過自動控制原理課程組全體教師多年的努力，積極開展了自動控制課程體系和教學內容改革，使得課程教學質量不斷提升。
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