自动控制原理课程教学改革探讨

　　中图分类号：G424 文献标识码：A

　　Teaching Reform of Automatic Control Theory Course

　　LI Ke， ZHAO Dean

　　（School of Electrical and Information Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013）

　　Abstract "Automatic Control Theory" is an important foundation course with theory and strong， broad knowledge and so on. Through the study of aspects of teaching practice teaching methods， assessment methods found instances throughout the process of teaching the theory， can stimulate students' interest in school， help them improve analyze and solve problems overall resilience. Through practice showed significantly improve teaching effectiveness.

　　Key words automatic control theory； teaching content； teaching reform； example

　　0 引言

　　自动控制原理作为高等院校工科类学生必修的基础课程，在电气、机械、热能等专业中处于非常重要的地位。自动控制原理是研究控制系统在控制过程中动、静态性能的理论工具，理论性强、综合性大，需要教师认真设置授课内容，组合多种教学方法，以达到传递课程知识点的目的。对已有控制系统性能分析、评价以及根据要求设计系统是学生掌握该课程的最终目标。本文从课程整体出发，针对教学过程中存在的弊端，提出在实践中应加以实际系统为对象，建立数学模型，分析系统性能，评价并进行必要校正，将理论基础与实际应用有效结合，以帮助学生提高其综合应用专业知识分析工程问题的能力。

　　1 梳理课程内容，建立知识框架

　　自动控制原理主要以带有负反馈装置的闭环系统为讨论对象。课程内容分为自动控制的基本概念、自控系统的数学模型、系统分析、系统设计与校正、非线性系统以及离散控制系统分析等几部分。以线性系统为研究对象，可以在时域（变量）、复数域（变量）、频域（变量）等不同的数学环境中进行分析求解。对应系统的数学模型分别为：微分方程，传递函数及频率表达式，三种数学表达式可以根据不同域中变量间的关系进行相互转化。环境不同，系统的分析方法也有所区别，有时域法、根轨迹法、频域法三种。对控制系统三个最基本的要求为稳定性、动态性能（快速性和平稳性）、准确性。三种性能相互制约、相互影响，分析并解决这类矛盾，是研究控制系统的重要内容。图1建立了线性系统的主要知识框架图。

　　2 教学中实际存在的问题及改革措施

　　2.1 实际存在的问题

　　通过教学实践，从学生掌握课本知识的程度以及对考核方式的分析来看，在教学过程中实际存在以下一些问题：

　　（1）基础知识面广、教学方式与考核方式的单一。自动控制原理涉及的学科较多，如数学、物理、电路、数模电、电机、机械等。前期基础知识掌握不牢固，后期加上本课程理论性强，内容量大，课程课时少等多方面因素，学生会觉得本课程较难学习。目前的授课方式主要以理论讲解和推导公式为主，通常忽略理论与控制系统实例的结合。课后学生机械地记定理、背公式、做习题，期末以一张试卷几道计算题定期末成绩。部分学生只需在考前一两周强行记忆计算题型即可以轻松通过考试，对问题的来龙去脉一概不知。这些情况都客观地反映出现有教学方式和考核方式的局限性和不合理性。

　　（2）理论知识与实际应用脱节。基于教学方式与考核方式的局限性，学生在学习过程中对实用性认识模糊，忽视了自动控制原理的工程意义，它需要解决的是实际工程项目问题。学生在面对某一具体问题时，从理论上不知如何运用相关知识去分析、解决问题，实践中不能将实验分析方法很好地结合到理论研究中，理论与实际应用脱节，不能培养具有综合应用能力的实干型人才，造成学无所用的现象。

　　2.2 教学改革的具体措施

　　针对实际教学中存在的问题，为了从本质上提高教学水平和质量，提高学生的积极主动性，有必要对自动控制原理授课方式和内容作出改革和创新，在牢固学生的专业基础上，应当从系统的角度改变学生的传统解题思维，培养学生的独立分析、解决问题的方法，提高学生的综合应变能力。具体措施如下：

　　（1）明确本课程的教学目的。教师应以系统的观点传递本课程的中心思想，要以概要性、引导性的讲解带领学生建立控制理论的概念，学会控制系统的分析方法。在教学中应当注重基本概念和基本原理的讲解，淡化其中的计算过程。借助数学工具，发现各种理论方法的关联性，触类旁通，灵活应用。

　　（2）改变考核方式。转变用一卷定成绩的方式来判断学生对本课程的掌握程度，把传统的考试方式改为对学生综合能力的考核。经过一个学期的学习和积累，串通各类知识点，开拓解决问题的新思路，掌握系统的分析方法，提出多个可行的解决方案。 　　（3）将理论知识和实际工程紧密联系。注重介绍控制学科发展的最新动态，选取控制工程中的典型实例，通过实例了解控制系统的结构、理论分析和设计技术，能更好地学习掌握自动控制的理论，具备对系统进行定性分析、定量估算和动态仿真的能力，为专业课学习和参加控制工程实践打下必要的基础。

　　3 “实例+原理”分析控制系统

　　基于本课程理论性较强，知识点覆盖面广，学生对分析控制系统的思路不明了的特点，引入一个实例用于自动控制原理的讲解过程。以实例加深理论应用，培养学生以系统的观点综合分析解决问题。以某转速控制系统为例介绍分析过程，主要包括以下四个步骤：

　　（1）建立转速控制系统的数学模型。根据控制系统原理图，画出系统方块图，确定输入输出量及中间变量，由于微分方程在高阶系统求解过程中的复杂性，可直接将各变量写成拉氏变换型，根据元件的工作原理和作用，求得各部分的传递函数，最后消除中间变量得出总的传递函数表达式，即为转速控制系统的数学模型。

　　（2）分析控制系统性能。鉴于频率特性分析法的优点及在工程中的广泛使用，本例可选取频率法分析系统。根据Nyquist稳定判据，利用Nyquist曲线在坐标图中的分布可判断该转速控制系统的稳定性，相对稳定性亦可计算相角裕度、幅值裕度得出。分析系统的动态性能，可参照半对数坐标系中Bode曲线的各分段直线，其中以穿过零分贝线的中频段尤为重要。中频段直线的斜率越小，平稳性越好；截止频率越大，快速性越高。

　　（3）评价系统性能好坏，确定对系统进行校正与否。常用的几种电气校正装置方式有超前、滞后以及滞后―超前校正装置，根据对控制系统性能要求，如需改善系统动态性能则选取超前校正装置；如需改善系统静态性能则选择滞后校正装置；对于在稳态和动态性能均要求很高的系统则应选取滞后―超前校正装置。

　　（4）对校正后的系统进行性能分析，验证校正的合理性。校验校正后系统是否满足给定指标的要求，如果校正后已全部满足性能指标的要求，则根据校正网络的参数选定合适的电气元件的数值，设计工作结束。反之，则需再次选择合理参数，重新计算，直至满足系统的指标要求。

　　4 结束语

　　笔者结合自动控制原理的实践教学，提出了建议和改革措施，探讨了在授课过程中将工程实例渗入各章理论知识的教学方法，有利于加强学生基础知识的掌握。此外，在教学过程中适当借助硬件设备和软件分析工具，锻炼学生的实际动手能力，将理论与实践相结合，能够提高其综合分析应用能力。以系统的概念，帮助学生树立全新的逻辑思维模式来分析问题、解决问题，为今后的学习和工作奠定扎实的基础。

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