自动控制原理课程的教材分析与研究

陶洪峰

江南大学教育部轻工过程先进控制重点实验室 江苏无锡 214122

自动控制原理课程的教材分析与研究

陶洪峰

江南大学教育部轻工过程先进控制重点实验室 江苏无锡 214122

自动控制原理是自动化专业及其他相关专业的重要技术基础课程。针对现今教材中普遍存在的一些问题，就体系优化、内容更新和平台搭建等方面进行分析和研究，不仅强调工程背景和互动教育，而且为学生创新思维与实践能力的培养提供思路。

自动控制原理；教材；专业课程

Author’s addressKey Laboratory of Advanced Process Control for Light Industry (Ministry of Education), Jiangnan University, Wuxi, Jiangsu, China 214122

自动控制原理是自动化专业及其他相关专业的重要技术基础课程，特点是内容多、理论性强，对数学及电路基础等的要求较高，在人才培养中占有极为重要的地位。而教材是课程的根本，也是教育教学改革的重点和难点。

虽然目前自动控制原理课程的教材种类繁多，但水平参差不齐，一些教材的系统实践性不强，与国内外高新技术的发展有距离，教材结构中创新思维与能力培养偏弱，教材中的方法偏陈旧繁琐，并没有跟上自动化技术的发展，无法给学生提供先进的研究方法与平台，不利于创新型人才的培养。

针对上述问题，广泛征求意见，总结教育教学方法，在自动控制原理课程的教材编写和应用上进行一定的思考和探索。

1 重组教材体系和教学内容，优化教学资源配置

以培养高素质的创新型自动化专业人才为主要目标，以理论密切联系工程实际为主线，突出系统性及逻辑性强，科学理论严谨，以完整的逻辑性和系统性编排自动控制原理的各个方面，教材内容的阐述坚持深入浅出，方便教与学。自动控制原理课程的教学内容目前全国基本一致，一般都分为绪论、数学建模、时域分析、复域分析、频域分析、校正设计、离散系统和状态空间这几章[1]，结合教学实践对各章内容进行优化。下面举例说明。

1）在数学建模这一章，由于控制系统的数学模型是描述系统内部物理量（或变量）之间关系的数学表达式，因此传递函数是教学重点，结构图变换和梅森公式方法都应该有所介绍，但允许侧重。目前有一些教材完全从图论角度来进行系统结构图的等效变换和简化，这样似乎摒弃了这门课程的工科性质，变成纯数学的理论，且容易让学生没有信号变换的物理概念，不利于今后与实际应用时的衔接。

2）在时域分析这一章，评价控制系统的性能，就需要重点讲授典型输入信号与性能指标定义，主要分析一阶系统和二阶系统的性能数值分析，便于学生理解完整的概念和方法。而对于高阶系统的近似公式等就不需要做详细介绍，这一知识点完全可以依托MATLAB软件来阐述和分析[2]。但主导极点的概念一定要强化，因为这涉及高阶系统如何转化为近似低阶系统来进行分析的方法，在工程上也经常采用。这样一来，整个内容的编排就有了一个渐进和融通的过程。

3）在非线性系统这一章，由于在实际控制对象中，任何物理系统都不同程度地带有非线性特性，因此就要重点介绍典型非线性环节的性质和作用，以及强调这些环节在工程上和物理上的具体体现，而不能从纯数学角度来分析。另外，笔者认为，相平面图的绘制法在目前需要简化，要掌握通过MATLAB软件来绘制的方法；但是从相平面图上来进行系统分析还是需要掌握的，因为这是一个从多维空间角度来分析系统的方法，当然状态空间部分也是；描述函数法的稳定性分析则需要和频域法进行统一，让学生建立统一的观点，并强化非线性系统中特有的自振现象。

因此，针对教学实际需要，对教材内容进行重新编排和优化，有利于开展教学，培养学生的思考和工作能力，全面升华控制理论的知识应用。

2 内容紧密结合工程应用实际，开阔学生视野

工科课程理论联系实际的特点不仅体现在教材中数学实例的分析，更重要的是要强调理论最终服务于实践的方法和途径[3]。教材内容指明理论成果源于实践需求，以实例应用表明理论的正确性与可行性，凸现工程背景，进行启发式诱导和科学性解题。同时教材可适当面向高新技术，促使学生强化创新思维与能力培养。在教材的应用上：1）指明工程背景及应用场合，明确设计要求及设计指标；2）启发性诱导，指出设计问题的切入点及注意事项；3）指明逻辑思维过程及明晰求解层次；4）综合应用各种理论方法，分析设计结果的合理性及实现的可能性；5）协调设计指标的满意性，修改设计参数，达到和谐效果；6）设计过程及结果的验证与仿真；7）自行完成设计过程的扩展，指出改善性能的可能途径和方法，达到进一步改进控制性能的目的。

以上针对教材内容的“七步教学法”，可以提高知识综合应用能力，培养创新思维，强化素质培养。

3 依托教材搭建研究平台，促进互动教学模式开展

以基于MATLAB的辅助分析方法贯穿教材，开展理论及方法的研究，摸索多元化的教学方法，搭建全方位的教学平台，注重自动控制理论的系统性和实用性，有效增强教学效果。给出的MATLAB程序具有可扩展性，便于学生今后修改以独立进行创新性研究，从而可以开展因材施教，全面提高定性分析、定量计算、综合应用以及数形结合的能力。促进课内与课外相结合，教师与学生共讨论的互动教学模式的开展，提高教学质量。依托教材搭建的教学研究平台，可以形成教学与应用的完整知识封闭链，集理论教学、综合设计、应用训练、课堂讨论、个性化作业及能力培养于一体，促进知识、能力与素质培养的全面协调发展。

4 结束语

总之，自动控制原理课程的工科背景，决定了教材的改革要始终坚持强化理论联系实际，紧密结合工程实践，以与时俱进的态度进一步优化内容，突出传统知识和高新技术、基础技能和创新能力的共同培养。同时以优秀的教材建设为平台，促进教学理念和方法的进一步深化和提高。

[1]胡寿松.自动控制原理[M].5版.北京:科学出版社,2007

[2]薛定宇.控制系统计算机辅助设计:MATLAB语言与应用[M].2版.北京:清华大学出版社,2006

[3]张敏.理论与实践相结合在“自动控制原理”课程中的新探索[J].中国电力教育,2010(19):77-78

Analysis and Research on Teaching Materials of Automatic Control Principles

//Tao Hongfeng

Automatic Control Principles is an important technology basic course for automation specialty or relative. According to the basic problems exist in current teaching materials, the paper analyzes the difficulty of system optimization, content renewal and the construct of teaching platform. It not only emphasizes the engineering background and the interactive education, but also provides the access to bring up student’s creative thinking and the ability of practice.

automatic control principles; teaching materials; specialized courses

G642

B

1671-489X(2011)12-0031-02

作者：陶洪峰，博士，副教授，研究方向为过程控制与优化。

10.3969/j.issn.1671-489X.2011.12.031