应用型本科院校的《自动控制原理》课程教学研究与探索

华贵山

（滁州学院 机械与电子工程学院，安徽 滁州 239000）

应用型本科院校的《自动控制原理》课程教学研究与探索

华贵山

（滁州学院 机械与电子工程学院，安徽 滁州 239000）

《自动控制原理》是一门理论性和实践性都很强的一门重要基础课程，结合该课程的特点及应用型本科人才培养的需要，针对目前该课程教学中普遍存在的内容多，学时少的矛盾，为了全面提高教学质量，培养学生分析问题和解决问题的能力，激发学生学习专业课的兴趣和热情，就优化教学内容、改革教学方法、加强实践环节、注重个性发展和提高学生创新能力等方面进行了研究与探索，并在教学实践中取得了良好效果，为教学提供了新的思路。

应用型本科院校；自动控制原理；教学内容；教学方法

随着我国高校大规模的扩招，高等教育已由精英型教育过渡到大众型教育，教学对象的阶梯层次也发生了较大的变化［1］。目前，在扩招量较大的本科第二批招生院校中普遍存在两个问题：一方面，学生理论知识基础和学习能力等方面的素质相对下降；另一方面，社会对大量应用型人才的迫切需求。因此，在我国现有的高等教育规模及经济发展形势下，社会对各类各层次人才的需求结构也随之发生了变化。大批量扩招的学生进入社会后，他们必将成为应用型人才的社会需求主体。《自动控制原理》课程的教学，在过去很长一段时间内都比较强调它的理论性，因此，很多学生认为该门课程是一门“应用数学课程”，而忽略了它的实践性，教学手段也往往是“讲课＋黑板”，或是用PowerPoint代替黑板的作用，实验也不多，缺乏对学生应用能力和综合能力的培养，这与应用型本科院校的主要任务：实施应用性本科教育，培养大量应用型创新人才相悖。因此，更新教学观念，在教学方法，教学内容等方面注入新的元素，以适应社会发展的需要，成为我们今后课程教学改革的主要任务。

1 教材建设的研究与探索

提高教材水平是提高教学质量的重要方面。优秀教材能够积累、传承教学经验。目前，大部分出版社都出版了多本《自动控制原理》或者相近的教材。面对种类繁多的教材，教师很难选择，因此，如何提高教材质量是当前教材建设的主要问题。目前，可供选择的教材可分为三大类［2］：第一类是针对研究型大学编写的教材。这类教材的优点是系统、深入，例题多，学生自主静心研读这类教材，能够深入全面地掌握自动控制原理。这类教材的缺点是教材比较厚，学生望而生畏。对于一般学校的学生往往由于基础与学习积极性差，能够上课，认真听课已经很不错了，很少能够再在课后潜心阅读，许多学生干脆不读。第二类是针对教学研究型大学编写的教材。这类教材的特点是教材不太厚，语言比较简明，但内容还比较深入。学生看到这些教材感觉比较容易学习，能够有耐心去阅读。教师可以剖析教材，进行充分发挥。学生课后进一步阅读能够不断深入。既能让许多课堂上认真听课、课后稍微看点书的学生基本掌握教学内容，又能够满足一些优秀学生深入学习的要求。第三类是针对教学型大学编写的教材。这类教材是只讲最基本的理论与方法，注重实用性。教材叙述详细通俗，学生容易阅读和掌握，特别是通过较多的例题让学生掌握基本教学内容。这类教材只要求学生能掌握自动控制原理的基本概念和方法。对于象滁州学院这类应用型本科院校，应选择有一定深度的《自动控制原理》教材，既方便部分学生考研，又能促进大部分学生的学习积极性。

2 教学内容的研究与探索

不断对教学内容梳理、去粗取精，讲清基本理论与实用方法，特别是有助于系统设计的内容。删除有些可以根据基本方法进一步得到或者不是很常用的内容。《自动控制原理》在我校自动化专业教学计划中该课程仅有72学时，而电科和电信则学时更少，其中还包括实验12学时。在剩下的为数不多的学时中要把原有理论及推导、计算面面俱到，还要兼顾工程应用是不现实的。如何解决这一矛盾？我们从工业实际应用、理论联系实际角度出发，对课程教学内容进行调整与优化，对于内容陈旧、过时或实用价值不大的知识点则少讲或不讲，对于一些理论与实践结合的内容进行必要的增加和充实。比如根轨迹，工业现场应用根轨迹法分析和设计系统很少见，但作为自动控制理论中的一种经典方法又不能不讲，于是，我们在讲授时先用MATLAB绘制根轨迹，然后用较少的学时讲清根轨迹的分布和动态性能的关系就可以了。再比如非线性控制系统这一章，描述函数法和相平面法在实际中的应用也很少，分配给这一章的学时数就要压缩，因此我们只讲基本原理，对相平面图的绘制采用计算机软件教学。而对于采样控制系统这一章，随着计算机控制在工业现场应用增多，讲授时首先要增加一些计算机应用实例，再引申到分析采样系统的理论当中，使学生体会到本课程在解决工程问题上的价值，从而增加学生学习理论的积极性。

3 教学方法的研究与探索

3.1 认真上好第一次课，提高学生的学习兴趣

提高学习兴趣在第一次课前用简练的语言概括介绍《自动控制原理》一课在本专业的地位，引起学生对该课程的重视，学生对课程的重视程度会直接影响其学习兴趣和主动性。在绪论中通过介绍《自动控制原理》在生活、生产实际中的广泛应用，把课程的学习和学生的生活及将来的工作联系起来，进一步提高学生的学习兴趣。通过介绍就业形势的严峻，让学生懂得《自动控制原理》作为考研必选科目是将来深造的基础，提高准备继续深造的同学对其重要性的认识。

3.2 《自动控制原理》教学要联系工程实际，这是非常重要但又很难解决的问题

改革方向是将控制理论与工程实际相结合，因此，有些教材根据不同的教学对象增加了一些工程系统实例［3］，例如航空航天系统、冶金系统、机器人、过程控制系统等，但收效甚微。主要原因是学生还没接触专业内容；教师对本专业以外的工程实例往往也不清楚，很难在教学中讲清楚。解决办法是每个教师根据自己熟悉的一些工程系统，选择适合所教学生专业的工程案例进行介绍。特别是多介绍一些工程中的控制问题以及解决思路。

3.3 将仿真软件引入到课程教学中

学生普遍感觉《自动控制原理》中计算和绘图很多，望而生畏。采用计算机多媒体教学是提高《自动控制原理》课程教学效果的重要手段，多媒体教学可利用丰富的画面和形象的动画，直观地将知识和信息展现在学生面前，能够提高学生听课的兴趣，强化知识的理解和吸收。因此我们将MATLAB引入到自动控制原理的教学中来。例如在自动控制原理时域分析方法中常需要通过分析阶跃响应曲线，来求系统的动态性能指标，如上升时间tr，峰值时间tp，最大百分比超调量σp%，调整时间ts；根轨迹法需要绘制根轨迹图；频域分析法需要绘制波德图和极坐标图，并通过求相角欲量和幅值裕量以判断控制系统的相对稳定性。对以上图形进行分析、计算、描点等常常需要花费不少时间，并且结果也不是十分准确。如果我们采用MATLAB工具则只需要几条简单的指令就可以得到相应的图形和计算结果，同时还具有以下几点优势：（1）能方便地观察参数变化对控制系统稳定性和动态特性的影响；（2）可避免求解高阶方程的根和对计算高阶系统阶跃响应指标等繁琐的数学问题；（3）减少传统理论教学中教师在黑板上画图所耗费的时间及手工画图的不精确。在下面实例1的演示中，体现了在课堂教学中引入仿真软件的优越性。

实例1某系统的开环传递函数为：

用MATLAB绘制其阶跃响应曲线并求其动态性能指标，幅值穿越频率，相位穿越频率，幅值裕量，相角裕量。

程序如下：

程序运行结果如图1所示。

图1 某系统的阶跃响应曲线

从图1中可直接读出上升时间tr＝2.40，峰值时间tp＝3.67，调整时间ts＝8.79（±2%误差），并能很容易地通过观察图1，根据最大百分比超调量公式算出：

从程序计算的结果可知：相角欲量Pm＝43.2099，幅值裕量Gm＝6.0000，相位穿越频率Wg＝2.2361，幅值穿越频率Wc＝0.7793。这样就避免了求解高阶方程的根。利用MATLAB函数［P Z］＝pzmap（bh）（其中bh为闭环传递函数）可求解闭环特征方程的根，并判断其根是否全部位于左半平面，从而得出系统是否稳定。也可用函数rlocus（gh），nyguist（gh），bode（gh），分别绘制根轨迹图，奈奎斯特图和波德图，其中参数gh是开环传递函数的表达式，则所需要的关键数据，如根轨迹上的分离点、汇合点、与虚轴交点的坐标和增益值等，就可以从绘制的图中用鼠标直接点取相应的点获得，同样也可方便的用绘制的根轨迹图，奈奎斯特图和波德图来分析系统参数变化时系统的稳定性。通过对实例l中的一些MATLAB仿真语句的简单介绍，不仅可以对书上的结论进行验证，而且用MATLAB软件得到的图形更有利于分析系统的性能，激发学生学习兴趣以提高教学质量。另外，通过适时地穿插应用计算机进行演示教学，将教学内容按照一定的结构顺序用简洁的文字，丰富的画面，逼真的动画以及声音等形象直观地呈现在学生面前，将学生带入一个形象、具体的环境中，使教学的概念实体化，有利于教学内容的理解和掌握，在很大程度上弥补了传统教学的直观性和动感性方面的不足。

4 教学实践的研究与探索

构建应用型本科院校课程体系必须注重基础理论教学，拓宽学生的专业知识面，同时要高度重视实践性教学环节，加强基础理论教学与实践应用的相互融合，通过实践项目提高学生解决实际问题的能力。根据我们目前现有的条件，《自动控制原理》实验教学分为两大模块：（1）Matlab软件的仿真实验，在建立典型环节、系统数学模型的基础上，编制相应的程序，通过调整参数来进行系统性能的分析和比较，由此验证课堂上所学的理论知识；（2）使用TKKL－4型控制理论／计算机控制技术实验平台，要求学生利用实验箱上的模拟电路单元，通过接线的方式先把模拟电路搭建好，然后利用上位机或者实验箱提供信号发生器和示波器功能，完成典型系统的瞬态响应、稳态误差

和频率特性测量等。通过《自动控制原理》课程实践教学环节，让学生所学到的电子技术，自动控制技术，电机与拖动技术，计算机控制技术等知识得以综合运用，增强用科学方法分析和解决实际问题的能力，加强了对学生综合素质的培养。

5 结束语

在对应用型本科院校学生进行自动控制原理授课探索的过程中，教师应基于“理论必须够用，加强实践”的原则，理论与实践充分结合，培养面向现代社会的高新技术产业所需的复合应用型人才。在工业、工程领域的生产、建设、管理、服务等第一线岗位，直接解决实际问题，维持生产建设的正常运行。总之，通过教学改革，极大地调动了学生学习《自动控制原理》课的积极性，学生的动手实践能力，创新能力也有了进一步提高。实践证明，学生在课程设计、毕业设计中所形成的综合创新实践能力不断提高，学生在实践课程中形成的综合创新实践能力在学校创新活动及各类电子设计大赛活动中都得到了充分印证。

［1］韩桂华，王 钰.应用型人才培养模式下的大学物理课程教学改革［J］.黑龙江高教研究，2009（6）：186.

［2］王万良.《自动控制原理》国家精品课程建设与教学方法探讨［R］.第六届电子电气课程报告论坛安徽地区分论坛，合肥，2010－04－24.

［3］胡寿松.自动控制原理（第四版）［M］.北京：科学出版社，2003：1－11.

G642

A

1673-1794（2012）05-0116-03

华贵山（1972－），男，安徽滁州人，讲师，工学硕士，主要研究方向：控制理论、微型计算机技术。

2012-02-14