“自动控制原理”课程教学思考

“自动控制原理”课程教学思考
摘要:针对“自动控制原理”课程教学中的问题,从课程教材特点,内容编排及内在规律方面分析了“自动控制原理”课程的特点,针对课程特点,从教学对策方面提出了类比法授课的的探索与创新尝试。

通过实际课程教学效果验证了教学改革的教学效果。

关键词:自动控制原理教学思考类比法教学改革
“自动控制原理”作为自动化专业的专业基础课程,从本质上面说是对电路、模拟电子技术、数字电子技术及电机理论等基础课程的总结及引导,同时也对自动化专业未来的过程控制、信号检测处理及最优控制等课程提供理论指导、培养研究思路起到承上启下的核心作用。

其课程特点是概念比较抽象,理论性较强,要求具有一定工科数学基础,理解上具有一定的难度和深度。

从任教课程的多年教学情况看,学生普遍感到难学难懂、从而具有怕学的心理,而任课老师的授课经历看也觉得出力效果微,容易产生挫折感。

为了激发师生教、学的积极性,提高教、学效果,“民族院校自动控制原理课程的教学改革与实践”教改得到了学校教务处的立项支持,项目组成员对课程内容,教材选择,应用背景等多方面进行了探索和研究实际,并取得了良好的效果。

1 教材分析
根据学校自动化专业的具体情况,本课程使用的教材是胡寿松主
编,由科学出版社出版的自动控制原理,该教材编排合理,难度适当,既强调了自动控制原理的基础知识,也拓展了基础知识的创新应用,满足了基础不同同学的学习愿景,如在详细介绍了典型二阶系统时域单位阶跃响应的推导分析思路后,根据实际控制工程实际,明确指出几乎所有的控制系统都是高阶系统,其分析方法是在分析二阶系统思路基础上利用主导极点对高阶系统进行分析,这样就在掌握典型二阶系统基础上,拓展了学生思维,这样进一步开阔了学生视野,使其意识到在基础之上,还有很多扩展知识需要去探索,激发学生的求知欲。

并且课后的习题编排很有针对性,先强调基础知识的掌握,在此基础上与实际控制系统结合,如教材第三章喷气式战斗机横滚角控制系统、打磨机器人控制系统和火星自主漫游车导向控制系统。

这些实际控制实例题目的设计,使学生意识到该课程会学有所用,所学的抽象理论马上变得具体可见,激发了学生的学习欲望。

2 课程内容分析
通过项目组成员多方面分析,认为教材内容编排合理,既包括了传统的经典控制理论内容,也囊括了现代控制理论基础,是一本非常适合单学期学习控制理论的院校学生使用。

在内容上,可以把教材分为三部分,即模型部分、方法论和现代控制理论基础。

模型部分,可以看作是本课程的共性问题,主要讲授控制系统数学
模型的建立,本质上是利用微分方法或拉普拉斯变换等数学方法对某些物理、运动过程遵循物理、电路定律列写方程,换个角度讲就是高等数学在控制系统中的应用而已,这样既可以让学生切实感觉到高等数学是基础,使学生感觉到本课程与前面所学基础课程的紧密联系,消除学生的陌生感,从而萌发学习的兴趣。

方法论,可以看作是数学在自动控制领域的具体运用,主要是数学方法在具体问题中的应用。

通过这样整理,就把大一、大二的基础课程和专业课程紧密连接起来,实现了前后课程的无缝链接,把自动控制原理问题转化为数学在具体工程领域的应用问题,这样可以消除学生对自动控制原理课程原有难学、复杂、抽象的误解,把一门完全陌生的新课程转换为数学工具的工程应用类课程,从而真正激发起学生学习的兴趣,为学好该门课程打下坚实的心理基础,毕竟兴趣就是最好的老师。

现代控制理论,核心内容就是数学模型与线性代数的融合,通过对系统建立形如一阶微分方程组的数学模型,然后运用线性代数思路,把模型转换为矩阵方程形式,在此基础上运用矩阵初等变换,把模型转换为相应的能控、能观型多种标准形式,这样可以从矩阵的结构很好地理解能控性、能观性的概念及其相应的结构分解。

对于极点配置问题及稳定性判断,本质上就是对矩阵方程如何求其对应的特征根问题。

通过这样的分析、融会贯通,就可以把这些以前没接触过的概念、理论转换为数学问题求解,把一门新课程变为数学课程的延续。

3 教学对策
通过对教材及其编排内容分析,为了提高教学效率,课题组成员采用类比教学法授课。

类比法是根据两个(两类)对象之间的某些相同或相似而指出它的其它方面也可能相同或相似的一种方法。

通过教材分析可以知道,第二章“控制系统的数学模型”是教材的基础内容,是自动控制原理课程共性问题,对这个共性问题的共同要求就是分析模型的稳定性、快速性(动态性能)和准确性(稳态误差)。

后续章节“线性系统的时域分析法”、“线性系统的根轨迹法”、“线性系统的频域分析法”、“线性系统的校正方法”、“线性离散系统的分析与校正”、“非线性控制系统分析”都是分别运用不同的数学工具紧紧围绕这三个问题展开授课,所用的数学工具包括微分方程求解方法、拉普拉斯变换、指数函数属性、三角函数性质、复数运算、极坐标、对数运算和变换等数学基础。

如对第三章“线性系统的时域分析”授课时,先给出本章所要用到的数学知识就是微分方程的求解理论,通过微分方程的求解,可以求得第二章所建的系统模型的时域解,利用时域解就可以用求极限方法求则可以判断系统稳定性,利用求函数极值思路就可以求系统误差和过渡性能指标。

第四、第五、第七、第八章分别利用根轨迹法、频率响应法、变换法和描述函数法对线性系统和非线性系统进行相应的三方面性能指标定性或定量分析。

通过这样的讲授,就可以把经典控制理论的主要内容重点概括浓缩为第一、第二、第三章的内容,只要把
前三章基础内容理解掌握好,那么后几章内容就是在使用数学方法不同前提下,对系统稳定性、快速性和准确性要求作分析,通过这样的授课实践,学生就切实感觉到把教材学“薄”了,抓住了教材的精髓,突出了重点。

取得了很好的教学效果。

4 结语
本文结合“自动控制原理”课程的教学改革与实践,深入分析了所选用教材特点,结合教学过程体会,对所用教材进行了重点概括和总结,从而把数学基础和工程应用密切联系起来,运用类比教学方法,把课本内容“学薄”,激发起学生浓厚的学习兴趣,取得了教、学双赢的教学效果。

随着时代进步,知识的更新,只有不断掌握自动控制理论发展动向,乐于探索,勤于思考,才能充分调动教师和学生的积极性,取得更好的教学效果,全面提高教学质量。

参考文献
[1] 胡寿松．自动控制原理(第五版)[M]．北京:科学出版社,2010.
[2] 周武能,石红瑞.自动控制原理教学改革与实践[J].教学研究,2010.
[3] 徐维晖.“自动控制原理”课程的教学研究与探索[J].中国电力教育,2010.。