自動(dòng)控制原理的課程探索與實(shí)驗(yàn)教學(xué)分析任金霞摘要：針對(duì)自動(dòng)控制原理課程的特點(diǎn)及在教學(xué)過(guò)程中存在的問題，提出了一些解決方案，并對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)提出了自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，使學(xué)生更好的掌握知識(shí)，并且提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理；教學(xué)實(shí)踐；實(shí)驗(yàn)教學(xué)作者簡(jiǎn)介：任金霞（1970-），女，山西孝義，江西理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，副教授，江西省贛州市 341000基金項(xiàng)目：本文系2009年江西省雙語(yǔ)教學(xué)示范課程自動(dòng)控制原理的研究成果1 引言自動(dòng)控制原理是自動(dòng)化專業(yè)及電氣、測(cè)量、信息、機(jī)械等專業(yè)基礎(chǔ)課，也是學(xué)習(xí)“現(xiàn)代控制理論”、“過(guò)程控制”等本科后續(xù)課程的基礎(chǔ)，它是學(xué)習(xí)“線性系統(tǒng)理論”、“自適應(yīng)控制”等研究生課程的基礎(chǔ)，還是工業(yè)過(guò)程控制與優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論依據(jù)1.2。各相關(guān)高校對(duì)“自動(dòng)控制原理”課程的教學(xué)相當(dāng)重視。他們通過(guò)精選教育部指定教材或自編教材、精選授課教師、創(chuàng)建國(guó)家級(jí)或省市級(jí)或校級(jí)精品課程、制作多媒體課件等多種手段，進(jìn)行了大量的教學(xué)改革和實(shí)踐工作，取得了豐碩的教學(xué)研究成果3.4.5。本文根據(jù)多年來(lái)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合自動(dòng)控制原理課程的特點(diǎn)，闡述在教學(xué)過(guò)的程中的矛盾和改革的必要性，并對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了探索。2 該課程教學(xué)的特點(diǎn)自動(dòng)控制原理有著直觀實(shí)際背景。該課程在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、航空、軍事等幾乎所有的領(lǐng)域都要廣泛地應(yīng)用。學(xué)生們沒有這方面的感性認(rèn)識(shí)，也沒有機(jī)會(huì)應(yīng)用于實(shí)踐中，這影響了學(xué)生的興趣。自動(dòng)控制原理課程內(nèi)容涉及很多課程領(lǐng)域包括數(shù)學(xué)、電子、電機(jī)、物理、機(jī)械等，還包括實(shí)際中系統(tǒng)控制的各種問題。它要由扎實(shí)的工程數(shù)學(xué)、高等數(shù)學(xué)、電路、電機(jī)與拖動(dòng)、大學(xué)物理等基礎(chǔ)課知識(shí)，還要求要有強(qiáng)大的計(jì)算能力，需要數(shù)學(xué)建模并且靈活得運(yùn)用于實(shí)際問題的解決，需要微積分、復(fù)變函數(shù)論、矩陣論等知識(shí)的靈活運(yùn)用。課程內(nèi)容多，涉及的專業(yè)知識(shí)面廣，信息量大。但學(xué)時(shí)數(shù)卻有限，也因?yàn)榻虒W(xué)時(shí)間長(zhǎng)，都是講解基礎(chǔ)性的理論，因此讓很多學(xué)生誤以為是一門應(yīng)用類的數(shù)學(xué)課，使學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)、畏難的心理。自動(dòng)控制原理課程需要繪制很多種圖形包括工程控制流程圖、根軌跡圖、極坐標(biāo)圖、輸出響應(yīng)圖、對(duì)坐標(biāo)圖等。對(duì)教學(xué)來(lái)說(shuō)會(huì)有一定的耗時(shí)。隨著科技的發(fā)展，國(guó)內(nèi)國(guó)外學(xué)術(shù)的緊密聯(lián)系開展雙語(yǔ)教學(xué)研究也勢(shì)在必行，創(chuàng)造條件進(jìn)行雙語(yǔ)教學(xué)，使學(xué)生能學(xué)到國(guó)外先進(jìn)的內(nèi)容和體系。3教學(xué)改革的一些嘗試3.1優(yōu)化梳理教學(xué)內(nèi)容，建立知識(shí)框架對(duì)于自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生而言，自動(dòng)控制原理總學(xué)時(shí)80個(gè)左右，還有10個(gè)左右的實(shí)驗(yàn)，所給的學(xué)時(shí)和教學(xué)內(nèi)容很緊張所以要優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)大綱和專業(yè)的需要選擇重點(diǎn)內(nèi)容。據(jù)廣大學(xué)生反應(yīng)，其它的一些專業(yè)基礎(chǔ)課程的內(nèi)容于此課程的大綱內(nèi)容有重復(fù)，所以在優(yōu)化課程時(shí)可以考慮這些內(nèi)容為自學(xué)內(nèi)容，略講或不講。例如對(duì)電氣信息類專業(yè)的學(xué)生，他們的另一門課程信號(hào)與系統(tǒng)就有重復(fù)的內(nèi)容，可以將其簡(jiǎn)單講解。對(duì)于各種數(shù)學(xué)變換和推導(dǎo)過(guò)程省略，在理解概念的基礎(chǔ)之上。重點(diǎn)講解動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析和穩(wěn)定性分析等。對(duì)于離散的系統(tǒng)可歸計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程中詳細(xì)講解。3.2理論聯(lián)系實(shí)際，提高動(dòng)手能力在教學(xué)過(guò)程中，要把理論教學(xué)與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)。在一些一般的基本概念和基本方法的講解過(guò)程中要引入現(xiàn)實(shí)的例子。并對(duì)實(shí)例講解來(lái)強(qiáng)化基本概念，加深學(xué)生對(duì)概念和方法的認(rèn)識(shí)和理解。例如在對(duì)于自動(dòng)控制概念的解釋可從人工控制的特點(diǎn)出發(fā)，可以用水池水位系統(tǒng)這樣簡(jiǎn)單作為實(shí)例，用圖形描述結(jié)構(gòu)。MTTLAB以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)程序語(yǔ)言，是專給科學(xué)工程的計(jì)算和圖形繪制的。自動(dòng)控制原理的計(jì)算、圖形繪制、系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)等都可以用MATLAB仿真，而且它于其它的語(yǔ)言相比更簡(jiǎn)潔更智能化。自動(dòng)控制原理課程的所有內(nèi)容幾乎都可以用MATLAB實(shí)現(xiàn)。因此把MATLAB穿插到教學(xué)過(guò)程中去，學(xué)生通過(guò)簡(jiǎn)單的操作可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，從中得到愉悅感，這將提深學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。例如教材中的例題“求取模型的根軌跡”，教材要用很長(zhǎng)的篇幅來(lái)分析，學(xué)生因此也會(huì)失去興趣。如果應(yīng)用MATLAB用簡(jiǎn)單的代碼就可實(shí)現(xiàn)。“”可以繪制出如下圖1圖1繪制圖中可以清晰的看到兩個(gè)極點(diǎn)“-9、0”和一個(gè)零點(diǎn)“-2”，且展示了極點(diǎn)“-9”指向零點(diǎn)以及極點(diǎn)“0”指向無(wú)窮遠(yuǎn)處，還可以增加代碼如“rlocfind(num,den)；”就可以選擇軌跡上任意點(diǎn)，顯示其增益。這能激發(fā)學(xué)生興趣，是學(xué)生再深入的研究，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)造性。所以在教學(xué)中先用MATLAB對(duì)內(nèi)容進(jìn)行預(yù)演，這能增強(qiáng)教學(xué)效果。4 根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)目前自動(dòng)控制原理的試驗(yàn)教學(xué)中都以驗(yàn)證性試驗(yàn)為主，由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)占總課時(shí)非常少，而自動(dòng)控制原理課程內(nèi)容多，基本都需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)從抽象到具體。所以實(shí)驗(yàn)時(shí)間和內(nèi)容的形式力不從心。所以提出了主動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。運(yùn)用MALTAB強(qiáng)大功能，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，自己先清楚實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容等。這個(gè)既可以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，又可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力。例如“根軌跡”的繪制和系統(tǒng)穩(wěn)定性判斷學(xué)生開始理解比較難。我們可以以下實(shí)驗(yàn)例子來(lái)解決此類問題。實(shí)驗(yàn)名稱：根軌跡繪制實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆崭壽E繪制方法并跟進(jìn)根軌跡分析穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：利用MATLAB繪制根軌跡，計(jì)算根軌跡函數(shù)。分析開環(huán)增益K從零到無(wú)窮時(shí)，閉環(huán)極點(diǎn)的變化。已知單位負(fù)反饋的開環(huán)傳遞函數(shù)為：，運(yùn)用MALTAB繪制得到如下軌跡圖2圖2 根軌跡圖有圖2可知，系統(tǒng)的分離點(diǎn)為-0.472，它對(duì)應(yīng)的開環(huán)增益K為1.13，于虛軸的交點(diǎn)為正負(fù)2.21i。根據(jù)觀察和時(shí)域分析：系統(tǒng)在時(shí)，系統(tǒng)處于過(guò)阻尼狀態(tài)；系統(tǒng)在時(shí)，系統(tǒng)處于臨界阻尼狀態(tài)；時(shí)，系統(tǒng)處于欠阻尼狀態(tài)；時(shí)，系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)；學(xué)生可以根據(jù)K的變化了解系統(tǒng)的全過(guò)程，這刺激了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。自動(dòng)控制原理課程還要努力探索，對(duì)于教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法還要不斷提出新問題,不懈的努力去提高教學(xué)質(zhì)量。參考文獻(xiàn)1 Richard C D, Robert H B. Modern Control System (10th Edition)M. 北京: 科學(xué)出版社, 2007.2 田作華, 陳學(xué)中, 翁正新. 工程控制基礎(chǔ) M. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2007.3李曼珍“.自動(dòng)控制原理”教學(xué)的幾點(diǎn)體會(huì) EB/OL. (2008-11-28)2009-10-12 .http: //01/ReadNews.asp? New-sID=1063.4 石紅瑞. 電氣信息類專業(yè)自動(dòng)控制原理教學(xué)探討 J. 紡織教育, 2005, (1): 53-54