華貴山

（滁州學院 機械與電子工程學院，安徽 滁州 239000）

應(yīng)用型本科院校的《自動控制原理》課程教學研究與探索

華貴山

（滁州學院 機械與電子工程學院，安徽 滁州 239000）

《自動控制原理》是一門理論性和實踐性都很強的一門重要基礎(chǔ)課程，結(jié)合該課程的特點及應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)的需要，針對目前該課程教學中普遍存在的內(nèi)容多，學時少的矛盾，為了全面提高教學質(zhì)量，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，激發(fā)學生學習專業(yè)課的興趣和熱情，就優(yōu)化教學內(nèi)容、改革教學方法、加強實踐環(huán)節(jié)、注重個性發(fā)展和提高學生創(chuàng)新能力等方面進行了研究與探索，并在教學實踐中取得了良好效果，為教學提供了新的思路。

應(yīng)用型本科院校；自動控制原理；教學內(nèi)容；教學方法

隨著我國高校大規(guī)模的擴招，高等教育已由精英型教育過渡到大眾型教育，教學對象的階梯層次也發(fā)生了較大的變化［1］。目前，在擴招量較大的本科第二批招生院校中普遍存在兩個問題：一方面，學生理論知識基礎(chǔ)和學習能力等方面的素質(zhì)相對下降；另一方面，社會對大量應(yīng)用型人才的迫切需求。因此，在我國現(xiàn)有的高等教育規(guī)模及經(jīng)濟發(fā)展形勢下，社會對各類各層次人才的需求結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生了變化。大批量擴招的學生進入社會后，他們必將成為應(yīng)用型人才的社會需求主體。《自動控制原理》課程的教學，在過去很長一段時間內(nèi)都比較強調(diào)它的理論性，因此，很多學生認為該門課程是一門“應(yīng)用數(shù)學課程”，而忽略了它的實踐性，教學手段也往往是“講課＋黑板”，或是用PowerPoint代替黑板的作用，實驗也不多，缺乏對學生應(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，更新教學觀念，在教學方法，教學內(nèi)容等方面注入新的元素，以適應(yīng)社會發(fā)展的需要，成為我們今后課程教學改革的主要任務(wù)。

1 教材建設(shè)的研究與探索

提高教材水平是提高教學質(zhì)量的重要方面。優(yōu)秀教材能夠積累、傳承教學經(jīng)驗。目前，大部分出版社都出版了多本《自動控制原理》或者相近的教材。面對種類繁多的教材，教師很難選擇，因此，如何提高教材質(zhì)量是當前教材建設(shè)的主要問題。目前，可供選擇的教材可分為三大類［2］：第一類是針對研究型大學編寫的教材。這類教材的優(yōu)點是系統(tǒng)、深入，例題多，學生自主靜心研讀這類教材，能夠深入全面地掌握自動控制原理。這類教材的缺點是教材比較厚，學生望而生畏。對于一般學校的學生往往由于基礎(chǔ)與學習積極性差，能夠上課，認真聽課已經(jīng)很不錯了，很少能夠再在課后潛心閱讀，許多學生干脆不讀。第二類是針對教學研究型大學編寫的教材。這類教材的特點是教材不太厚，語言比較簡明，但內(nèi)容還比較深入。學生看到這些教材感覺比較容易學習，能夠有耐心去閱讀。教師可以剖析教材，進行充分發(fā)揮。學生課后進一步閱讀能夠不斷深入。既能讓許多課堂上認真聽課、課后稍微看點書的學生基本掌握教學內(nèi)容，又能夠滿足一些優(yōu)秀學生深入學習的要求。第三類是針對教學型大學編寫的教材。這類教材是只講最基本的理論與方法，注重實用性。教材敘述詳細通俗，學生容易閱讀和掌握，特別是通過較多的例題讓學生掌握基本教學內(nèi)容。這類教材只要求學生能掌握自動控制原理的基本概念和方法。對于象滁州學院這類應(yīng)用型本科院校，應(yīng)選擇有一定深度的《自動控制原理》教材，既方便部分學生考研，又能促進大部分學生的學習積極性。

2 教學內(nèi)容的研究與探索

不斷對教學內(nèi)容梳理、去粗取精，講清基本理論與實用方法，特別是有助于系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容。刪除有些可以根據(jù)基本方法進一步得到或者不是很常用的內(nèi)容。《自動控制原理》在我校自動化專業(yè)教學計劃中該課程僅有72學時，而電科和電信則學時更少，其中還包括實驗12學時。在剩下的為數(shù)不多的學時中要把原有理論及推導(dǎo)、計算面面俱到，還要兼顧工程應(yīng)用是不現(xiàn)實的。如何解決這一矛盾？我們從工業(yè)實際應(yīng)用、理論聯(lián)系實際角度出發(fā)，對課程教學內(nèi)容進行調(diào)整與優(yōu)化，對于內(nèi)容陳舊、過時或?qū)嵱脙r值不大的知識點則少講或不講，對于一些理論與實踐結(jié)合的內(nèi)容進行必要的增加和充實。比如根軌跡，工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用根軌跡法分析和設(shè)計系統(tǒng)很少見，但作為自動控制理論中的一種經(jīng)典方法又不能不講，于是，我們在講授時先用MATLAB繪制根軌跡，然后用較少的學時講清根軌跡的分布和動態(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)法和相平面法在實際中的應(yīng)用也很少，分配給這一章的學時數(shù)就要壓縮，因此我們只講基本原理，對相平面圖的繪制采用計算機軟件教學。而對于采樣控制系統(tǒng)這一章，隨著計算機控制在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用增多，講授時首先要增加一些計算機應(yīng)用實例，再引申到分析采樣系統(tǒng)的理論當中，使學生體會到本課程在解決工程問題上的價值，從而增加學生學習理論的積極性。

3 教學方法的研究與探索

3.1 認真上好第一次課，提高學生的學習興趣

提高學習興趣在第一次課前用簡練的語言概括介紹《自動控制原理》一課在本專業(yè)的地位，引起學生對該課程的重視，學生對課程的重視程度會直接影響其學習興趣和主動性。在緒論中通過介紹《自動控制原理》在生活、生產(chǎn)實際中的廣泛應(yīng)用，把課程的學習和學生的生活及將來的工作聯(lián)系起來，進一步提高學生的學習興趣。通過介紹就業(yè)形勢的嚴峻，讓學生懂得《自動控制原理》作為考研必選科目是將來深造的基礎(chǔ)，提高準備繼續(xù)深造的同學對其重要性的認識。

3.2 《自動控制原理》教學要聯(lián)系工程實際，這是非常重要但又很難解決的問題

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

3.3 將仿真軟件引入到課程教學中

學生普遍感覺《自動控制原理》中計算和繪圖很多，望而生畏。采用計算機多媒體教學是提高《自動控制原理》課程教學效果的重要手段，多媒體教學可利用豐富的畫面和形象的動畫，直觀地將知識和信息展現(xiàn)在學生面前，能夠提高學生聽課的興趣，強化知識的理解和吸收。因此我們將MATLAB引入到自動控制原理的教學中來。例如在自動控制原理時域分析方法中常需要通過分析階躍響應(yīng)曲線，來求系統(tǒng)的動態(tài)性能指標，如上升時間tr，峰值時間tp，最大百分比超調(diào)量σp%，調(diào)整時間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圖，并通過求相角欲量和幅值裕量以判斷控制系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。對以上圖形進行分析、計算、描點等常常需要花費不少時間，并且結(jié)果也不是十分準確。如果我們采用MATLAB工具則只需要幾條簡單的指令就可以得到相應(yīng)的圖形和計算結(jié)果，同時還具有以下幾點優(yōu)勢：（1）能方便地觀察參數(shù)變化對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)特性的影響；（2）可避免求解高階方程的根和對計算高階系統(tǒng)階躍響應(yīng)指標等繁瑣的數(shù)學問題；（3）減少傳統(tǒng)理論教學中教師在黑板上畫圖所耗費的時間及手工畫圖的不精確。在下面實例1的演示中，體現(xiàn)了在課堂教學中引入仿真軟件的優(yōu)越性。

實例1某系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

用MATLAB繪制其階躍響應(yīng)曲線并求其動態(tài)性能指標，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間tr＝2.40，峰值時間tp＝3.67，調(diào)整時間ts＝8.79（±2%誤差），并能很容易地通過觀察圖1，根據(jù)最大百分比超調(diào)量公式算出：

從程序計算的結(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是開環(huán)傳遞函數(shù)的表達式，則所需要的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如根軌跡上的分離點、匯合點、與虛軸交點的坐標和增益值等，就可以從繪制的圖中用鼠標直接點取相應(yīng)的點獲得，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分析系統(tǒng)參數(shù)變化時系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過對實例l中的一些MATLAB仿真語句的簡單介紹，不僅可以對書上的結(jié)論進行驗證，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)學生學習興趣以提高教學質(zhì)量。另外，通過適時地穿插應(yīng)用計算機進行演示教學，將教學內(nèi)容按照一定的結(jié)構(gòu)順序用簡潔的文字，豐富的畫面，逼真的動畫以及聲音等形象直觀地呈現(xiàn)在學生面前，將學生帶入一個形象、具體的環(huán)境中，使教學的概念實體化，有利于教學內(nèi)容的理解和掌握，在很大程度上彌補了傳統(tǒng)教學的直觀性和動感性方面的不足。

4 教學實踐的研究與探索

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，拓寬學生的專業(yè)知識面，同時要高度重視實踐性教學環(huán)節(jié)，加強基礎(chǔ)理論教學與實踐應(yīng)用的相互融合，通過實踐項目提高學生解決實際問題的能力。根據(jù)我們目前現(xiàn)有的條件，《自動控制原理》實驗教學分為兩大模塊：（1）Matlab軟件的仿真實驗，在建立典型環(huán)節(jié)、系統(tǒng)數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，編制相應(yīng)的程序，通過調(diào)整參數(shù)來進行系統(tǒng)性能的分析和比較，由此驗證課堂上所學的理論知識；（2）使用TKKL－4型控制理論／計算機控制技術(shù)實驗平臺，要求學生利用實驗箱上的模擬電路單元，通過接線的方式先把模擬電路搭建好，然后利用上位機或者實驗箱提供信號發(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

和頻率特性測量等。通過《自動控制原理》課程實踐教學環(huán)節(jié)，讓學生所學到的電子技術(shù)，自動控制技術(shù)，電機與拖動技術(shù)，計算機控制技術(shù)等知識得以綜合運用，增強用科學方法分析和解決實際問題的能力，加強了對學生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。

5 結(jié)束語

在對應(yīng)用型本科院校學生進行自動控制原理授課探索的過程中，教師應(yīng)基于“理論必須夠用，加強實踐”的原則，理論與實踐充分結(jié)合，培養(yǎng)面向現(xiàn)代社會的高新技術(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，直接解決實際問題，維持生產(chǎn)建設(shè)的正常運行?？傊?，通過教學改革，極大地調(diào)動了學生學習《自動控制原理》課的積極性，學生的動手實踐能力，創(chuàng)新能力也有了進一步提高。實踐證明，學生在課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計中所形成的綜合創(chuàng)新實踐能力不斷提高，學生在實踐課程中形成的綜合創(chuàng)新實踐能力在學校創(chuàng)新活動及各類電子設(shè)計大賽活動中都得到了充分印證。

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

［2］王萬良.《自動控制原理》國家精品課程建設(shè)與教學方法探討［R］.第六屆電子電氣課程報告論壇安徽地區(qū)分論壇，合肥，2010－04－24.

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

G642

A

1673-1794（2012）05-0116-03

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

2012-02-14