“连续与离散控制系统”课程建设

嵇艳鞠,王春民,刘兴明,栾 卉

(吉林大学仪器科学与电气工程学院,吉林长春 130026)

0 引言

控制技术是多学科相互渗透和结合而发展起来的。当今计算机具有强大的存储记忆能力、可靠灵活的逻辑判断推理能力、高效的科学计算和数据处理能力,计算机技术的应用已经遍布各个领域。正是计算机技术的广泛应用,促使控制技术在各个领域的应用也越来越广泛,离散控制已成为各个领域实现自动化最重要的手段。因此对自动化专业或自动控制等相关专业掌握控制系统基础理论知识是十分必要的,对于从事控制方面的工程技术人员,掌握这些相关知识也是必须的。

根据教育部教育改革、学科建设和教材建设改革的精神,吉林大学在全校范围内展开学科建设和教材建设的改革,针对一些学科课程设置存在的问题和弊端,对教学大纲和教学计划进行了调整,制定了新版教学大纲和教学计划。在这种形势下,仪器科学与电气工程学院经过组织专家进行多次论证,结合二十多年在控制学科的教学经验和体会,针对“自动控制原理”和“计算机控制原理和技术”两门课程单独开设存在的问题和弊端,将“自动控制原理”和“计算机控制原理与技术”两门课整合成一门课程,即“连续与离散控制系统”,列入了仪器科学与电气工程学院新版教学大纲和教学计划中,并通过吉林大学的审批。

1 课程特点

1.1 连续控制与离散控制紧密而有机的结合

自动控制原理最早起源于1765年俄国人波尔佐夫发明蒸汽锅炉水位调节器和1784年瓦特发明蒸汽机离心飞锤式调速器。从那时起二百多年来,随着社会生产力和科学技术的迅猛发展,自动控制技术已形成了完整的理论体系,主要包括经典控制理论和现代控制理论。目前,自动控制的理论和技术几乎应用到了所有的工业部门,在国民经济的调控中也得到了成功的应用。因此“自动控制原理”是理工机电类专业的一门重要的基础理论和技术课程。

计算机控制系统是在自动控制技术和计算机技术不断发展的基础上产生的。经典控制理论虽已发展成熟,且在不同领域都得到了成功的运用。但是,它也有其局限性,对复杂的控制系统和复杂的算法,在实现上遇到了相当的困难,不能满足系统的运行要求。现代控制理论的发展为自动控制系统的分析、设计与综合增添了理论基础,而计算机技术的发展为新型控制规律的实现提供了非常有效的手段,两者的结合极大地推动了自动控制技术的发展。

1.2 解决自动控制理论教学与实践环节脱节

“自动控制原理”是自动化类专业的核心课程,在机械电子专业、电力专业、动力专业等专业也作为一门必修课而被列入教学计划。在以往的教学中,自动控制原理的实验内容常常作为教学的一个组成部分在授课期间穿插七次到八次基本实验,学生学完自动控制后,对实验的内容比较模糊,控制原理的内容仍然是停留在课本上,一些概念和结论仍然感觉比较抽象,缺少感性认识。其中理论中的四分之三的重点内容,在实际的操作环节中无法体现,一些同学在长期的理论学习中由于不能很好的和实际情况结合起来,会对理论性过强的学习过程产生厌倦,既不利于学生的学习热情,也不利于学生理论与实践相结合的专业技能的发展。自动控制系统的实现问题相对比较困难,这类问题可以通过计算机控制编程来实现,而且简单方便,提高了学生的感性认识,较好地解决了理论与实践脱节问题。

1.3 Matlab/Simulink仿真与理论教学结合

Matlab语言是由美国Mathworks公司发布的主要面向科学计算、数据可视化以及交互式程序设计的高技术计算语言。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化集成在一个易于使用的视窗环境中,为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多学科领域提供了简捷、有效的编程工具,强大的功能使它成为系统分析和仿真设计的首选语言。

在理论教学内容上将Matlab/Simulink仿真应用到控制原理的课程之中,降低了控制理论的抽象性,增加了直观性。例如:根轨迹法需要绘制根轨迹图,频域分析法需要画波德图和极坐标图等,这些图形需要分析、计算、描点等过程,常常花费不少的时间。采用Matlab语言则只需几条简单的指令立刻就可以得到相应的图形,同时,可非常方便地观察参数的变化对控制系统稳定性、动态特性的影响,还可避免教师在黑板画图耗费时间及手工画图的不精确性。在系统数学模型讲授中,通过调用Matlab的示例程序中的一些控制系统模型,让学生在Simulink环境中对这些模型进行仿真,逐步了解一个系统是如何组成,各个环节的模型又是怎样联系,相互之间关系如何,系统又是如何运作等问题。

在控制原理课程中增加Matlab/Simulink仿真内容,可以促进控制原理的理论教学,提高学生学习兴趣、分析和设计系统的能力,使学生的知识面更广、动手能力更强、综合素质更高。控制原理理论教学与Matlab/Simulink仿真有机的结合,是控制领域发展的趋势,也顺应了自动化专业学生专业立足点高、知识更新、综合素质更突出的要求。因此,在控制原理课程中增加Matlab/Simulink仿真内容,不仅使学生掌握了理论教学的内容,同时也教学生一些应用理论的手段。

2 教学梯队

连续与离散控制系统教学梯队现有教师6人,正教授1人,副教授3人,讲师2人,其中具有博士学位教师4人,师资结构合理。课程组现承担学院本科生主干课程“连续与离散控制系统”,研究生学位课程“现代控制理论”等课程的教学工作。在教学过程中采用多种有效的教学手段,使学生掌握书本知识的同时培养学生动手能力,达到了良好的教学效果。

3 特色教材的编写

《连续与离散控制系统》规划教材的编写依据作者多年的教学经验,参考国内外相关的优秀教材,书中连续控制部分侧重基础理论,离散控制部分在兼顾基础理论的同时,强调向实践方面过渡。连续与离散控制的结合,使得控制理论和实践的脱节问题相对容易解决,学习的连续性加强,教师的处理空间增大、灵活性增强。在控制系统中,利用Matlab仿真与各章节有机结合,使复杂问题简单化,理论问题直观化,增加了可读性和趣味性。教材的编写过程中还注重控制系统体系结构和内在联系,采用共性问题汇总介绍,个性问题单独阐述的原则进行编写,并将连续系统的典型环节和非典型环节统一处理,力图在突破传统的写法方面做一些尝试。

4 实验平台建设

通过引进自动控制和计算机控制设备,经过多年的改造、补充和完善,已经构建成较为完善的连续与离散控制的实验平台,对于提高学生的控制领域的实践能力起到了重要作用,同时也成为本科控制类毕业设计的基地。

借鉴国外控制类先进教材的经验,结合自己的实际情况,开发了连续与离散控制系统的Matlab/Simulink仿真实验平台,平台涵盖了连续与离散控制系统教材的主要内容,多年来对于学生理解控制理论以及理论与实践结合的能力起到重要作用,激发了学生对控制理论研究的热情,为学生在理论与实践相结合方面营造了一个良好的实验仿真环境。在毕业设计中应用该实验平台对一些控制理论问题进行了深入的仿真研究,对提高学生的理论水平和实践能力起到不可替代的作用。

5 结语

连续控制系统的实现比较麻烦,离散控制系统可以通过编程实现,实现方便容易。两门课整合成一门课,自动控制理论直接服务于《计算机控制原理与技术》这门课,提高了学习效率,教学效果明显改善,因为整合后将连续与离散控制紧密和有机的结合,使学生学习具有连续性,教师在教学过程中可利用的空间变大,处理教学问题的灵活性增强,增强了学科的整体性和全局性。本课程对我国高等学校控制类课程教育改革和教材建设改革具有良好的示范和借鉴作用。

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