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摘 要:本文针对现有。自动控制原理”先经典控制理论后现代控制理论的课程体系中存在的教师教学和学生理解方面的问题,提出了该课程的教学改革思路和方法。探索出以线性系统基本理论为基础,系统调节原理和现代控制工程并行授课的新的课程体系,同时提出基于新的课程体系的课程内容与课时分配。
关键词;教学改革;课程体系;线性系统理论
作者简介:董明(1981-),女,辽宁黑山人,天津城市建设学院电子与信息工程系,讲师,工学博士,主要研究方向:复杂系统控制;黄民德(1956-),男,天津人,天津城市建设学院电子与信息工程系,教授,工学硕士,主要研究方向:建筑电气与智能化。(天津3003841
“自动控制原理”是研究自动控制系统的共同规律,为自动控制系统的分析与综合提供基本理论和基本方法的一门课程,是自动化专业及电气信息类其他专业一门重要的专业基础核心课程。很多后续课程,如“电力拖动自动控制系统”、“过程控制工程”、“计算机控制技术”、“智能控制”等都要用到它的基本理论和基本思想。因此,如何教好这门课是授课教师必须思考和解决的重要问题。
一、“自动控制原理”课程教学改革的必要性
近些年来,随着自动控制理论的不断完善和工程应用的日益深入,线性系统理论的知识越来越被人们所重视。与之相反,经典控制理论中讨论的单变量系统调节只能作为自动控制理论体系中的一个组成部分,其重要性相对降低。长期以来在控制理论教学中先经典控制理论后现代控制理论的课程安排,已然不能适应形势的发展。问题主要表现有四点。
(1)经典控制理论所讲授的一些内容没有建立在一个严密的理论基础之上。需要讲授现代控制理论时来弥补(例如系统稳定性),前后内容的关系不好协调。线性系统的基本理论在“现代控制理论。课程的开始部分讲一些,但独立性不够,内容也很不充允,
(2)控制科学的理论和方法,其作用越来越体现为应从方法论的高度,给出实际问题的分析与设计的解决思路与路线,而不仅仅是提供现成的解决方案。
(3)现有的课程体系在遇到一些基本概念的关系问题时,往往难以解释得很清楚,例如劳斯判据、奈奎斯特判据和李亚普诺夫稳定性理论的相互关系,可控性和可观l生在单输入单输出系统和多输入多输出系统分析和设计中的工程意义,状态可控、输出可控、系统可镇定概念之间的关系和工程意义等等。而实际上,如若具备一些线性系统的基础知识,这些问题理解起来并不困难。
(4)从各高校的相关课程的内容设置与教学计划的安排情况看,经典控制理论有减弱的趋势,现代控制理论有加强的趋势,同时现代控制理论相关课程的设置也在逐步加强。
二、“自动控制原理”课程教学改革的内容和方法
为贯彻夯实基础、拓宽知识、适应需求的教改指导思想,本着提高线性系统基础理论作为控制类本科生最重要基础知识的地位,理顺知识体系,锐意创新思路,提出“线性系统基本理论—系统调节原理—现代控制工程”这样一个新的授课顺序。通过对三门课程内容的统一规划、科学安排、精简课程单元并适当增添新内容和新成果,改变当前控制理论课程体系几十年不变的现状,提高教学效果和质量。
1.线性系统基本理论的重要性
线性系统基本理论不仅是现代控制理论的基础知识,同时也是经典控制理论的基础知识,只有在掌握线性系统基础知识的基础上,控制学科的知识体系才能牢固地建立起来。线性系统理论同样也是非线性系统理论的基础,例如状态或输出反馈线性化等等。线性系统理论课程已是上届教指委专业规范2006年11月征求意见稿中规定的自动化专业的核心课程之一,部分院校已开始单设线性系统理论的课程。
2.注重对学生进行系统化、工程化概念的强化
例如有意识地在教学中特别加强加深有关系统数学模型内容的讲述,深入浅出地介绍多种机电、热力、液力系统的数学模型的推导过程和结果,使学生能更多更充分地了解到一些控制问题的实际工程背景。
3.更加注意概念的准确理解和牢固掌握
例如,稳定性理论是控制理论的精髓,是控制系统设计的根本和首要任务。在经典控制理论中,对系统稳定性概念的介绍太过笼统,并仅限于线性系统,精确的定义要等到现代控制理论中介绍李亚普诺夫稳定性时才给出,这对于学生对稳定性概念的理解和掌握都很不利。注意到这一问题,通过对常微分方程解的性质和对控制系统实际操作和运行情况的分析。使学生对控制系统的稳定性问题在一开始就有了清晰的概念,即对于给定的系统和指令,系统的响应还依赖于它的初始状态,稳定性即是要求系统不同初始条件下的响应随时间趋于一致,这等价于系统的零输入响应随时间趋于零,这是操作者的操作习惯和系统在扰动去除后的自动恢复特性对控制系统的基本要求。
4.注意所学知识前后的一弛性和融会贯通
例如,频域特性的工程意义以及它和时域法的内在联系是学生掌握的难点。为达到使学生对所学知识融会贯通的目的,在教学和教材编写过程中,有目的有选择地安排一些内容和例题,供学生进行比较分析。
5.教学手段和方法的改革和创新
为使课堂教学生动、形象、直观,提高教学效率,建议应用MATLAB仿真软件于课堂教学,因为MATLAB强大的可视化数据处理功能可以弥补授课时数的不足,减少教师绘制图表的麻烦和不精确。在课堂教学进行的过程中,适时地穿插应用计算机进行演示教学,不仅能够提高学生学习本课程的兴趣,还使得一些比较抽象的概念和过去教学过程中学生反映难以理解和掌握的内容,通过生动,形象的方法向学生阐明,使学生更容易理解和掌握。
三、“自动控制原理”课程教学改革的具体实施方法
实现由过去的经典控制理论和现代控制理论两部分内容串行教学,到线性系统理论先行,系统调节原理和现代控制工程等相关课程并行(或串行)教学的转变。具体的课程内容及课时分配如下。
1.线性系统理论基础主要涉及控制学科的基础知识(48学时)
线性空间和线性算子,系统的状态方程描述,系统的传递函数和传递函数矩阵,离散时间系统的状态方程和脉冲传递函数(12学时);系统可控性、可观性的概念与判定方法(6学时);线性变换和系统的等价,线性系统的规范型和规范实现(6学时);状态方程的解和系统响应(6学时);李亚普夫稳定性理论,用李亚普夫稳定性理论分析系统的稳定性以及输入输出稳定性,劳斯判据(10学时),状态反馈和极点配置,状态观测器设计(8学时)。
2.系统调节原理主要涉及单变量反馈控制理论的分析与设计方法(48学时)
控制系统的结构,控制系统的性能指标(2学时),一阶、二阶和高阶系统的响应,二阶系统性能的改善(6学时),系统的稳态误差(4学时);根轨迹方法,控制系统的根轨迹分析(6学时),频率特性的概念和图示方法(6学时);控制系统的频域分析(6学时);控制系统的校正,频域和时域的设计方法(6学时),简单非线性系统的分析,相平面法和描述函数法(6学时);离散时间系统的分析与设计(6学时)。
3.现代控制工程主要涉及多变量控制系统的分析与设计方法和最优控制(52学时)
多变量系统的解耦控制,用串联调节器和状态反馈实现解耦控制,干扰的不变性,静态和动态干扰的测量问题(12学时),最优控制的一般概念,泛函和泛函的极值,用变分法解决最优控制问题,控制量受约束时的最优控制问题(10学时);最小值原理,快速控制,最小燃料消耗控制,线性系统二次型性能指标最优控制,状态调节器问题,黎卡提方程(10学时)。
原有的经典控制理论与现代控制理论总学时为96学时,改革后线性系统基础理论和系统调节原理两门课的总学时较原来的96学时总和不变,三门课的总学时128较原来的96有较大增加,但多变量系统与最优控制中的大部分内容在过去是未列入教学计划的,可以考虑将多变量系统与最优控制列为选修课。
四、总结
新的课程体系重在强调基础,理顺关系,课程所包含的内容虽有调整但变化不大。同时,线性系统基础理论课程所需的预备知识少,可以较前开设,并且可以为不同专业共选,系统调节原理和现代控制工程两门课程可并行开设,并且每门课程的内容和课时相应减少,更有利于教学安排。
参考文献:
[1]胡寿松.自动控制原理(第五版)[M].北京:科学出版社.2008
[2]刘 豹.唐万生.现代控制理论(第三版)[M].北京:机械工业出版社,2008
[3]沈宪章.孔金生.对《自动控制理论》课程教学改革的探讨[J].河南教育学院学报(自然科学版),2003,(6),40-41.
[4]程淑红.等.自动控制理论教学改革的思路与实践[J].教学研究,2006,(9):433-436.
关键词;教学改革;课程体系;线性系统理论
作者简介:董明(1981-),女,辽宁黑山人,天津城市建设学院电子与信息工程系,讲师,工学博士,主要研究方向:复杂系统控制;黄民德(1956-),男,天津人,天津城市建设学院电子与信息工程系,教授,工学硕士,主要研究方向:建筑电气与智能化。(天津3003841
“自动控制原理”是研究自动控制系统的共同规律,为自动控制系统的分析与综合提供基本理论和基本方法的一门课程,是自动化专业及电气信息类其他专业一门重要的专业基础核心课程。很多后续课程,如“电力拖动自动控制系统”、“过程控制工程”、“计算机控制技术”、“智能控制”等都要用到它的基本理论和基本思想。因此,如何教好这门课是授课教师必须思考和解决的重要问题。
一、“自动控制原理”课程教学改革的必要性
近些年来,随着自动控制理论的不断完善和工程应用的日益深入,线性系统理论的知识越来越被人们所重视。与之相反,经典控制理论中讨论的单变量系统调节只能作为自动控制理论体系中的一个组成部分,其重要性相对降低。长期以来在控制理论教学中先经典控制理论后现代控制理论的课程安排,已然不能适应形势的发展。问题主要表现有四点。
(1)经典控制理论所讲授的一些内容没有建立在一个严密的理论基础之上。需要讲授现代控制理论时来弥补(例如系统稳定性),前后内容的关系不好协调。线性系统的基本理论在“现代控制理论。课程的开始部分讲一些,但独立性不够,内容也很不充允,
(2)控制科学的理论和方法,其作用越来越体现为应从方法论的高度,给出实际问题的分析与设计的解决思路与路线,而不仅仅是提供现成的解决方案。
(3)现有的课程体系在遇到一些基本概念的关系问题时,往往难以解释得很清楚,例如劳斯判据、奈奎斯特判据和李亚普诺夫稳定性理论的相互关系,可控性和可观l生在单输入单输出系统和多输入多输出系统分析和设计中的工程意义,状态可控、输出可控、系统可镇定概念之间的关系和工程意义等等。而实际上,如若具备一些线性系统的基础知识,这些问题理解起来并不困难。
(4)从各高校的相关课程的内容设置与教学计划的安排情况看,经典控制理论有减弱的趋势,现代控制理论有加强的趋势,同时现代控制理论相关课程的设置也在逐步加强。
二、“自动控制原理”课程教学改革的内容和方法
为贯彻夯实基础、拓宽知识、适应需求的教改指导思想,本着提高线性系统基础理论作为控制类本科生最重要基础知识的地位,理顺知识体系,锐意创新思路,提出“线性系统基本理论—系统调节原理—现代控制工程”这样一个新的授课顺序。通过对三门课程内容的统一规划、科学安排、精简课程单元并适当增添新内容和新成果,改变当前控制理论课程体系几十年不变的现状,提高教学效果和质量。
1.线性系统基本理论的重要性
线性系统基本理论不仅是现代控制理论的基础知识,同时也是经典控制理论的基础知识,只有在掌握线性系统基础知识的基础上,控制学科的知识体系才能牢固地建立起来。线性系统理论同样也是非线性系统理论的基础,例如状态或输出反馈线性化等等。线性系统理论课程已是上届教指委专业规范2006年11月征求意见稿中规定的自动化专业的核心课程之一,部分院校已开始单设线性系统理论的课程。
2.注重对学生进行系统化、工程化概念的强化
例如有意识地在教学中特别加强加深有关系统数学模型内容的讲述,深入浅出地介绍多种机电、热力、液力系统的数学模型的推导过程和结果,使学生能更多更充分地了解到一些控制问题的实际工程背景。
3.更加注意概念的准确理解和牢固掌握
例如,稳定性理论是控制理论的精髓,是控制系统设计的根本和首要任务。在经典控制理论中,对系统稳定性概念的介绍太过笼统,并仅限于线性系统,精确的定义要等到现代控制理论中介绍李亚普诺夫稳定性时才给出,这对于学生对稳定性概念的理解和掌握都很不利。注意到这一问题,通过对常微分方程解的性质和对控制系统实际操作和运行情况的分析。使学生对控制系统的稳定性问题在一开始就有了清晰的概念,即对于给定的系统和指令,系统的响应还依赖于它的初始状态,稳定性即是要求系统不同初始条件下的响应随时间趋于一致,这等价于系统的零输入响应随时间趋于零,这是操作者的操作习惯和系统在扰动去除后的自动恢复特性对控制系统的基本要求。
4.注意所学知识前后的一弛性和融会贯通
例如,频域特性的工程意义以及它和时域法的内在联系是学生掌握的难点。为达到使学生对所学知识融会贯通的目的,在教学和教材编写过程中,有目的有选择地安排一些内容和例题,供学生进行比较分析。
5.教学手段和方法的改革和创新
为使课堂教学生动、形象、直观,提高教学效率,建议应用MATLAB仿真软件于课堂教学,因为MATLAB强大的可视化数据处理功能可以弥补授课时数的不足,减少教师绘制图表的麻烦和不精确。在课堂教学进行的过程中,适时地穿插应用计算机进行演示教学,不仅能够提高学生学习本课程的兴趣,还使得一些比较抽象的概念和过去教学过程中学生反映难以理解和掌握的内容,通过生动,形象的方法向学生阐明,使学生更容易理解和掌握。
三、“自动控制原理”课程教学改革的具体实施方法
实现由过去的经典控制理论和现代控制理论两部分内容串行教学,到线性系统理论先行,系统调节原理和现代控制工程等相关课程并行(或串行)教学的转变。具体的课程内容及课时分配如下。
1.线性系统理论基础主要涉及控制学科的基础知识(48学时)
线性空间和线性算子,系统的状态方程描述,系统的传递函数和传递函数矩阵,离散时间系统的状态方程和脉冲传递函数(12学时);系统可控性、可观性的概念与判定方法(6学时);线性变换和系统的等价,线性系统的规范型和规范实现(6学时);状态方程的解和系统响应(6学时);李亚普夫稳定性理论,用李亚普夫稳定性理论分析系统的稳定性以及输入输出稳定性,劳斯判据(10学时),状态反馈和极点配置,状态观测器设计(8学时)。
2.系统调节原理主要涉及单变量反馈控制理论的分析与设计方法(48学时)
控制系统的结构,控制系统的性能指标(2学时),一阶、二阶和高阶系统的响应,二阶系统性能的改善(6学时),系统的稳态误差(4学时);根轨迹方法,控制系统的根轨迹分析(6学时),频率特性的概念和图示方法(6学时);控制系统的频域分析(6学时);控制系统的校正,频域和时域的设计方法(6学时),简单非线性系统的分析,相平面法和描述函数法(6学时);离散时间系统的分析与设计(6学时)。
3.现代控制工程主要涉及多变量控制系统的分析与设计方法和最优控制(52学时)
多变量系统的解耦控制,用串联调节器和状态反馈实现解耦控制,干扰的不变性,静态和动态干扰的测量问题(12学时),最优控制的一般概念,泛函和泛函的极值,用变分法解决最优控制问题,控制量受约束时的最优控制问题(10学时);最小值原理,快速控制,最小燃料消耗控制,线性系统二次型性能指标最优控制,状态调节器问题,黎卡提方程(10学时)。
原有的经典控制理论与现代控制理论总学时为96学时,改革后线性系统基础理论和系统调节原理两门课的总学时较原来的96学时总和不变,三门课的总学时128较原来的96有较大增加,但多变量系统与最优控制中的大部分内容在过去是未列入教学计划的,可以考虑将多变量系统与最优控制列为选修课。
四、总结
新的课程体系重在强调基础,理顺关系,课程所包含的内容虽有调整但变化不大。同时,线性系统基础理论课程所需的预备知识少,可以较前开设,并且可以为不同专业共选,系统调节原理和现代控制工程两门课程可并行开设,并且每门课程的内容和课时相应减少,更有利于教学安排。
参考文献:
[1]胡寿松.自动控制原理(第五版)[M].北京:科学出版社.2008
[2]刘 豹.唐万生.现代控制理论(第三版)[M].北京:机械工业出版社,2008
[3]沈宪章.孔金生.对《自动控制理论》课程教学改革的探讨[J].河南教育学院学报(自然科学版),2003,(6),40-41.
[4]程淑红.等.自动控制理论教学改革的思路与实践[J].教学研究,2006,(9):433-436.