“自动控制原理”教学改革关键问题探索

摘要：针对“自动控制原理”难学、难教，理论性和抽象性强等特点，主要从消除学生自身心理因素的负面影响、整合课程教学内容、改进教学方法与教学技能三方面进行了改革与探索，在实际教学中取得了一定的效果，提高了教学质量和学生的工程实践能力。

关键词：自动控制原理；教学改革；数学建模；控制系统

作者简介：高春艳（1977-），女，河南洛阳人，河南科技大学车辆与动力工程学院，副教授。（河南 洛阳 471003）

基金项目：本文系“农业机械化及自动化”国家级特色专业建设项目、河南科技大学教育教学改革项目的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）13-0079-02

“自动控制原理”是自动化及类自动化专业的一门重要的专业基础课。该课程理论性强，对数学知识、电类基础知识要求高，既整合各专业的前期相关的专业基础课程（如机械运动学、机械振动学、热力学或流体力学等）的内容，又与工程实践紧密相结合。其理课知识面广、内容多、发展快、理论性和抽象性都较强，又有一定深度和复杂性，所以该课程历来就被认为是枯燥无趣、难学、难教、及格率低的课程，因而针对“自动控制原理”的课程教学改革任重而道远。

在多年的教学经验中，笔者认为以上现象的产生既与“自动控制原理”自身课程体系有关，又与学生自身心理因素的负面影响和教师自身教学密切相关。下面针对“自动控制原理”的课程教学改革进行探讨。

一、消除学生自身心理因素的负面影响

目前，很多自动化、类自动化专业学生在“自动控制原理”学习中存在一定的负面心理因素，如害怕困难、自卑、迷茫、惰性、功利、急躁等，这些负面的学习情绪严重影响着学生的学习积极性，制约着学生的学习成效。在笔者多年的一线教学实践中，在本课题的教学改革中一直在努力探求这些负面心理因素产生的诱因，并积极努力地探索消除这些负面心理因素的改革策略，教学中积极调动学生学习的主动性和积极性，取得了良好的教育教学效果。

在教学实践中也发现，部分学生认为“自动控制原理”的理论性过强、数学基础要求高、与今后就业没有太直接关系；一些学生只学与就业有直接关系的专业技能课程，不注意专业基础课程的学习，导致基础课程知识薄弱，态度消极被动；有的学生干脆在课堂上学英语、考研书、课外书，大大增加了后期课程学习的难度。

“自动控制原理”的课程教学改革应从教学内容组织整合、教学形式改革以及教师自身教学技能多方面入手，才可能行之有效地消除学生学习中的负面心理因素，提高教学效果。

二、“自动控制原理”教学内容整合

教师在教学中要教给学生更有用的知识，以调动他们学习的积极性。实际上，在任何科学发展过程中，许多新方法会不断被提出，这中间有些方法通过工程实践与检验得到发展与保留，但有的方法并不实用，而被更好的方法所取代，因此，教学中要选择基本实用的内容进行教学。“自动控制原理”就是要在实践中起到方法论的作用，教学中在力求讲清控制论基本概念的前提下，更多地结合工程实际，教会学生应用控制论来分析解决控制工程中的实际问题。“自动控制原理”的实际教学内容应遵循以下思路。

1.数学工具——Laplace变换

拉普拉斯（Laplace）变换，简称拉氏变换，是分析研究线性动态系统的有力数学工具。通过拉氏变换，将时间域的微分方程变换为复数域的代数方程，问题计算和分析都大为简化，并且通过拉氏变换在古典控制论中可以直接在频域中研究系统的动态性能，方便对系统进行分析和校正，具有广泛的工程实际意义。

拉普拉斯变换实际就是微积分变换，数学基础要求高，不少学生害怕微积分变换，又觉枯燥无味，实际教学中更应注意教学方法和技巧。若详细介绍很费学时，可认为拉氏变换只是控制论的数学工具，并非实际教学重点。实际教学中可据不同专业学生数学基础、课程设置区别对待。对没学过拉氏变换、课时又少的，就简介拉氏变换，以典型环节的一两个实例验证拉氏变换的定义，其他可直接给出结论；对拉氏变换性质、方法也可如此处理，但重在点出应用意义，增加学习兴趣。对学过拉氏变换、课时又允许的，最好提纲携领地复习拉氏变换与反变换的定义，典型环节的拉氏变换及性质、应用，让学生将变换与控制论联系起来，更好地为后续内容的学习服务。

2.控制系统的数学建模

研究与分析一个系统，不仅要定性地了解系统的工作原理及其特性，而且更要定量地描述系统的动态性能，以揭示系统的结构、参数与动态性能之间的关系。这就要求建立系统的数学模型，据研究目的和具体系统的不同，一种数学模型可能比另一种数学模型更合适。本部分要重点讲授微分方程的建立、传递函数的求解、系统结构图等效变换与化简的内容，这些都是分析、设计系统的基础。而信号流图主要用在计算机辅助分析设计中，对稍微复杂点的系统将梅森增益公式直接应用于结构图就特容易出错，如学时有限，就不必讲解。梅森增益公式特例可将系统结构图化简过程大大简化，既简单好学，又可提高准确性，一定要介绍给学生使用。因古典控制已不能满足当今工业复杂控制的需求，也要据学时与专业需要情况确定是否介绍状态空间方程。

3.控制系统的时域分析方法

控制系统的时域分析是一种直接分析系统输出随时间变化规律的方法，它根据描述系统的微分方程或传递函数直接或间接地计算出系统的时间响应，从而求解系统的性能指标、分析确定系统的稳态性能和动态性能。授课中从一阶系统入手，介绍二阶的时间响应分析，介绍确定典型二阶性能指标与参数的方法，重点介绍系统的零极点分布和性能指标的关系，从而引出高阶系统的主导极点法，便于学生后期学习或自学需要。

4.控制系统的根轨迹分析法

利用根轨迹图的优点是可以很直观地看出系统闭环特征根随系统参数的变化规律。在根轨迹图上虽然也可以进行系统分析与设计，但由于根轨迹图难以精确绘制，数学基础又难，所以现在使用逐渐减少。教学中可以用较少的篇幅介绍根轨迹的基本概念、方法和应用，若学时有限，可以不介绍在根轨迹图上的系统设计方法。

5.控制系统的频率特性法

因频率特性法的物理意义明确，在工程中一般采用近似做图法，计算量小，简单、直观，易于在工程中使用，又可以用实验的方法求得，对于难以列写微分方程或传递函数的系统和元件具有重要的工程实用价值。所以频率特性法在工程技术中得到广泛应用，也是实际教学中的重点。

理论上可以在Nyquist图、Bode图或Nichols图上进行控制系统的分析和设计。但Nyquist图计算量大，且难以精确绘制，即使使用MATLAB也是如此，所以Nyquist图主要用来分析系统的稳定性以及说明相对稳定性的概念，授课中不介绍在Nyquist图上定量分析与设计。典型环节的Nyquist图对绘制一般系统的Nyquist图并没有什么帮助，所以可只讲下一阶惯性与二阶欠阻尼的Nyquist图，并分析说明系统特性，然后引出一般Nyquist图的绘制方法。

Bode图在工程中一般采用近似做图法，计算量小，简单、直观，易于在工程中使用。可以用实验的方法求得Bode图，继而得到系统传递函等数学模型，所以Bode图很适合进行系统的分析、设计，并在授课中引出讲授在Bode图上的系统校正方法。

Nichols图虽然容易分析系统闭环频率特性指标，但由于Nichols图的复杂性，现在很少使用，若要在Nichols图上验证闭环频率特性指标，不如用MATLAB软件直接检验时域指标。所以，自动控制理论课中可少介绍或不介绍Nichols图法。

6.控制系统的综合与校正

在控制系统校正中，主要介绍基于Bode图的串联校正法，不介绍基于根轨迹的系统校正法。当前的微机控制系统基本上使用的是串联校正方法，学时有限时可简单介绍复合校正和反馈校正。因串联校正的相位超前校正、滞后校正、滞后-超前校正等实质上就是工程中广泛应用的PID校正，教学中一定要和PID联系起来，介绍工程上广泛应用的PID控制器整定的概念，增加控制系统的工程设计方法，使内容简单直观，易于掌握，并做到理论联系实际。

7.离散系统控制理论

目前的控制系统几乎都是微机控制。因此，“自动控制原理”课程要介绍离散控制理论，特别是要详细地介绍差分方程及微分方程的差分化，为微机的控制程序设计奠定理论基础。授课中要侧重介绍离散系统本身的理论与方法，据学时可适当减少最小拍离散控制系统设计方法，也可直接介绍无纹波离散控制系统的设计。而在微机控制技术课程应该着重介绍微机控制中普遍涉及的硬件和软件设计问题。

8.现代控制理论

现代工业控制要求越来越高，控制环境越来越复杂和不确定，以PID为核心的经典控制手段已难以适应。为了克服PID等传统反馈控制理论的缺陷，学时允许时应介绍许多已经在工程实际中得到广泛应用的现代控制方法。

9.将MATLAB与simulink引入教学

“自动控制原理”授课中计算和绘图较多，令不少学生望而生畏，将MATLAB与simulink引进“自动控制原理”教学是当前普遍的做法。MATLAB对于辅助分析与设计控制系统很有用，学生很容易学会使用，教学中只是引导他们去使用，授课中注意只能非常简明地介绍MATLAB与simulink在控制系统分析与设计中的应用，要突出教学主题——“自动控制理论”。MATLAB与simulink仅仅是数值计算与仿真，只能作为辅助分析系统的工具，不能成为建立一般控制理论（方法论）的基础，不能替代控制理论的分析与设计方法。

10.配置相应的实验教学与课程设计

配置综合性的实验教学与课程设计，可以锻炼学生运用基本理论分析解决实际问题的能力，在学完自动控制理论后增设课程设计，以全面提高学生理论联系实际、综合运用知识、设计创新的能力。课程设计的题目应多来源于工程实际或科研课题，其实用性、综合性要强，知识跨度要大，以进一步培养学生的自学能力、独立分析问题和思考问题的能力，提高学生工程应用能力和就业能力。

实际教学中应从方法论的角度出发，结合生产、生活实际，以时域分析法为主线，和频域分析法并进，利用直观的物理概念与实例，使学生充分理解系统参数与系统指标之间的内在联系，深入浅出地重点引导学生理解和掌握古典控制理论的精髓，其他内容则据专业设置、学时和学生具体情况灵活把握。

三、教学方法与教学技能改革

教师在教学中除要有明确的思路，认真整合教学内容，用心收集资料、实例、图片动画，将高质量的多媒体引入教学外，还要注意教学方法与教学技能改革。

“自动控制原理”课程具有理论性、实践性、系统性强，涉及面广，概念抽象等特点，学生初学起来普遍感到困难。特别是在补充介绍拉氏变换时应注意鼓励学生，注意引导他们对后期学习的兴趣。

再者，基于工科学生喜欢逻辑性与连贯性学习的特点，实际课堂中不少学生往往一处未懂便留在中途，跟不上讲课进度，这时教师一定要注意并能及时发现这种现象，通过及时沟通引导学生跟上进度。

工科的大量课程需要预习和复习巩固，现在学生往往因各种原因做不到这点，这就对任课教师提出了更高的要求，教师需要在授课中经常将前后相关内容知识串联起来，并善于从学生的困惑与疑问中发现问题实质，善于帮助学生从问题与困境中走出来，取得学生信任，营造友好、高效的学习氛围。

教学方法与教学技能中包含着教师如何在教学中调动学生学习的主动性与积极性的技能。教师的严谨认真、敬业精神会潜移默化地感染着学生；教师对学生的关爱，也可以缩短师生间的心理距离，满足学生的情感需求；教师用心提高教学技能，就可创造更为和谐的学习氛围，激励学生主动努力学习，不断进取。

实际上，教学中没有普遍正确的方法，需要教师根据具体的教学对象选择恰当的教学方法。以上都是笔者在“自动控制原理”课程多年教学中不断努力改革、探索的认识和经验总结，在实际教学中取得了一定的成效，但在今后的改革中还需要进行不断的完善，以取得更为满意的教学效果。

参考文献：

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