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1、“自动控制原理”课程的教学改革与实践基金项目:本文系“自动控制原理”省级精品课程建设和创新性人才培养(项目编号:2009126)、2009年黑龙江省新世纪教学改革工程项目的研究成果。 “自动控制原理”作为电气信息类专业的专业基础课程,在机械、热能等专业中也处于举足轻重的地位。尤其在自动化专业中,它将其他专业课程联结起来,起到承上启下的核心作用。1 本课程的主要特点是:理论性强、内容抽象、含有大量的数学公式推导及图形曲线,是一门具有一定深度和难度的课程。从教学现状看,学生感到难学、乏味,主讲教师觉得难教,沿用传统的教学方法难以获得高质量的教学效果。2作为佳木斯大学校级精品课,课题组对该课程的教学
2、内容、教学方法及实验教学等进行了研究、改革和探索,并取得了良好的成效。 一、教学的创新与实践 1.运用系统的观点、联系的观点掌握分析方法 本课程的系统性和理论性很强,要求学生用系统的观点来分析问题。讲授时围绕三个基本点展开,即基本概念,基本理论和基本方法,强调重点,克服难点。 引导学生把握“数学模型”,以“性能”(动态性能、静态性能) 分析为灵魂,综合设计为目标,最后结合实验、工程实例来加深理解。 例如,时域分析法的灵魂:依赖闭环传函形式的数学模型,根据响应曲线的收敛性可以判断出系统的稳定性,并且可求得典型输入信号作用下的动态指标及稳态误差。根轨迹法,在已知开环零极点形式的数学模型基础上研究一
3、个或几个参数变化对系统闭环极点(特征方程的根)分布的影响。根轨迹位于复平面左半平面部分为稳定区域;根据原点处开环极点个数可确定出系统的型别,因此可求出三种典型输入信号作用下的系统的稳态误差;闭环主导极点主要决定系统的动态性能,运用闭环主导极点比较容易对控制系统进行分析和设计,且工作简化。频率特性法的主线:应用的是开环频率特性函数,在开环极坐标图和开环伯德图中,利用Nyquist稳定判据可以分析系统的闭环稳定性和相对稳定性,其中开环对数幅频特性曲线低频段反映出系统的静态性能,中频段主要影响系统的动态性能。 学生通过联系对比发现,上述三大类方法虽不同,但都是围绕系统性能分析这条主线,只是“神似而形
4、不似”罢了,掌握其精髓,触类旁通。 在把握好系统性的前提下,在教学过程中还帮助学生联系对比学习“小”的知识点,从而达到“一脉带百脉,百脉皆通”的实效。例如,分析系统“稳、准、快”用到什么形式的数学模型:系统的稳定性和动态性能主要由系统闭环极点的位置决定,即与系统的闭环传递函数有关,稳态误差与系统开环传递函数有关。 2.采用类比法,提高教学效率 类比法是根据两个(或两类)对象之间的某些相同或相似而指出它的其他方面也可能相同或相似的一种方法。在“自动控制原理”课程中包括连续系统和离散系统两个主要方面的教学内容,3都涉及系统数学模型的建立、稳定性判断、稳态误差的求取和系统的时域响应分析等。将离散系统
5、与连续系统相关内容进行分类比较,找出它们的异同点,让学生尽可能多地利用已学过的连续系统的知识去学习离散系统,从而达到事半功倍的效果。 例如,连续系统中,微分方程经拉氏变换得到以s为自变量的传递函数G(s),离散系统中,差分方程经离散的拉氏变换即Z变换,得到以z为自变量的脉冲传递函数G(z),z=eTs,重点切入讲解Z变换及脉冲传递函数相关的知识点。离散系统稳定的充要条件是闭环脉冲传函的特征方程的根都在z平面的单位圆内,通过直接求解闭环特征方程和利用劳斯稳定判据来判断离散系统的稳定性。和连续系统方法相似,只是连续系统特征方程的根都具有负实部而离散系统特征方程根的模都小于1而已;若使用离散系统特征
6、方程D(z)=0的形式,只需先作变量代换z=,得到方程D()=0,余下就是利用劳斯判据判断 D()=0的根是否都具有负实部,从而判断离散系统是否稳定了。除此之外,离散系统时域响应的性能指标定义与连续系统是一样的,只不过是按照采样时刻的采样值来近似计算的。 在教学过程中,还注重运用类比这种浅显易懂的方式来解释和表达抽象概念。例如,二阶系统的时域分析具有重要的实际意义,因而教学中详细讨论和分析,推导过程比较繁琐。在阶跃信号的作用下,不同的阻尼,响应曲线不同,特性也不同。其中,不同的阻尼概念、相应的响应曲线令学生觉得繁杂难记。 正常讲,阻碍运动的物质是存在的,运动中消耗能量,对于阻碍来讲是正常的,因
7、而起阻碍作用的称作正阻尼,不起阻碍作用的,起反向作用的,像推动,称为负阻尼。无介质就“无阻尼”,没有能量消耗。有阻尼有阻碍,但不大,欠点,称作欠阻尼,有能量消耗。阻碍太大,过了,称作过阻尼。用单摆运动或荡秋千进一步类比讲解:无阻碍时,小球能量不衰减来回作等幅振荡,而无阻尼的二阶系统的阶跃响应也是等幅振荡;遇到介质阻碍时,但阻尼不大,能量渐渐消耗,来回衰减振荡直至停到平衡点,而欠阻尼的二阶系统的阶跃响应也是衰幅振荡后收敛到稳定状态;阻碍作用太大,小球举步维艰,能量损耗太快,没有振荡而到达了平衡点,甚至停在途中,而过阻尼的二阶系统的阶跃响应是单调上升到平衡点。负阻尼下的运动就像荡秋千,在反复振荡过
8、程中,不仅不受到阻碍反而被不断地推动、加力,以致秋千越荡越高,而负阻尼下的二阶系统的阶跃响应即是发散振荡。至此,这部分重点知识的学习对于学生来讲犹如拨开迷雾、茅塞顿开,生动易懂。 有效的利用类比法,重点强调两者的差别,学生就可以“温故”而“知新”,发掘学生的探索空间,带领学生快速突破教学难点。实际教学中发现,不仅明显提高了教学效果,而且还解决了“自动控制原理”课程的课时相对较少而内容较多的矛盾。 3.重视学习过程 传统的教学方式一般都采用所谓的“灌输式”,也就是学生上课只是机械地抄笔记被动地学习。为了活跃教学气氛,采取了课上启发式和悬念式提问和讨论的教学方法,这不仅达到了量测和及时反馈的作用,
9、而且也促进了学生独立思考和主动的学习。 精心挑选和布置课后作业,仔细批改、记录和统计作业中出现的问题和新颖的解题思路,实现对信息的采集和反馈,进而有针对性地上好每一章的习题课,从而实现了检测偏差和减小偏差的目的。有时采取让几个学生同时做同一道题,提倡采用不同的方法。在总复习阶段,分配学生讲解各章的主要题型,从而激发了学生的求知欲和表现欲,教师注意穿针引线归纳总结,帮助学生理顺知识点,再次强调重点、难点,从而加深学生对知识点的理解和掌握。 同时多关心、鼓励和辅导基础差或对本课程缺乏兴趣的学生, 因材施教。学习过程得到了重视,自然达到了整体提高的目的。 4.引入MATLAB,增强课堂教学效果 在“
10、自动控制原理”课程中引入少学时的MATLAB辅助教学后,学生能根据MATLAB语言很轻松、正确地绘制出各种复杂的图形,从大量繁琐的手工计算中解脱出来,有助于对复杂系统的性能分析和设计,极大地提高了学生的学习兴趣以及分析系统和设计系统的综合能力。 例如,在自动控制原理的时域分析法中常需要画阶跃响应曲线进行分析,根轨迹法需要绘制根轨迹图,频域分析法需要绘制伯德图和极坐标图等,这些图形需要分析、计算、描点等过程,在黑板上画图费时费力且手工绘图不精确。当采用MATLAB语言时,只需几条简单的指令立刻就可以得到相应的精确图形,同时,可以非常方便地观察参数的变化对控制系统尤其是高阶系统的稳定性、动态特性的
11、影响。 教学内容直观性增强了,一些比较抽象的概念和理论,通过生动形象的方式使学生掌握得较快,明显提高了教学质量。 二、实验教学改革,着重培养学生能力 实验是教学体系中的一个重要环节。通过实验,既能使学生巩固和加深所学理论知识,又能使学生通过实际操作、观察现象、测量数据、分析问题、写实验报告等过程,培养观察能力、思维能力。而实验能力的培养,通过做实验才能更好地完成。 根据“自动控制原理”课程的特点,在验证性实验的基础上,综合考虑知识的难点和重点,增加了设计性实验和综合性实验,并且利用学校现有的开放实验室设置开放性实验。改革中要求学生不仅会做实验,更重视培养学生实验方向的选择、实验方案的确定、实验
12、中的分析、实验后的综合提高、新知识的探索等方面的能力。 实验过程中注意引导学生具有实事求是的学风,扎扎实实地发现问题解决问题,学生的操作能力、测试能力、研究能力得到了很大的提高,充分调动了学生的学习积极性。 三、考核方式的改革 考核形式和考核内容在某种程度上会影响学生的学习态度。为了激励学生自主学习,加大平时成绩和实验成绩的比重,将课堂问答、课堂讨论、课后作业及实验的考核、期末的课程论文纳入平时成绩。课程论文就是学完本课程之后,针对某一个实例,要求学生写一篇关于自动控制原理的学习体会和心得。教学改革以来,以学习过程和考试作为综合的衡量标准,既体现了公平考核,又达到了培养学生多方面能力的目的。 四、结束语 随着自动化技术的飞速发展以及现代社会对大学毕业生的要求越来越高,为了能够适应新时期的需要,只有不断探索、改革和实践,不断掌握国内外自动控制理论发展的新动向、新知识,并应用到教学和科研上,充分调动教师和学生两方面的积极性,才能取得更好的教学效果,全面提高教学质量。