自动控制原理实践教学

自动控制原理实践教学（精选十篇）

自动控制原理实践教学 篇1

《自动控制原理》是自动化专业的核心课程和专业基础必修课, 同时也是自动化相关专业如电气工程及其自动化、测控技术与仪器、信息类各专业、机械制造等专业的一门必修课, 该课程最典型的特点是概念抽象、理论性强、分析方法多、要求一定的数学基础和理论实践结合有难度等。

自动控制理论是工业现代化的基础和前提, 是现代工业生产及技术中重要而不可缺少的组成部分[1]。通过本堂课, 学生应重点掌握本专业领域中常用控制系统和自动控制中的基本方法, 了解线性系统的频率校正法以及自动控制理论在专业课和新技术、新产品上的应用[2]。

2、现状分析

邵阳学院电气工程系设有设自动化、电气工程及其自动化、测控技术与仪器等专业。 《自动控制原理》一直是我系各专业的一门专业基础必修课。本课程讲授经典控制理论, 以研究定常系统为主, 比较全面系统地向学生介绍自动控制的基本理论及其分析和设计方法, 让学生清晰地建立起线性控制系统反馈的基本概念, 初步学会利用经典控制理论和时域法、根轨迹法、频率特性法等方法来分析自动控制系统, 并用频率特性法设计自动控制系统。同时设立实验, 采用传统与现代相结合的教学方法, 也增设了习题辅导课, 但其教学成果一直不是很理想主要体现几个方面: 一是学生对概念理解不透彻, 如数学模型、被控量、被控对象、对数频率特性等, 导致学习效率较低; 二是部分学生没有养成动手的习惯, 作业抄袭现象较严重; 三是学生实验积极性不高。

3、教学改革的研究与实践

近年来, 笔者从事 《自动控制原理》课程的教学工作中得到一些体会, 并不断改革教学内容、教学方法、实验环节等, 取得了一定的效果。具体如下:

( 1) 教学内容改革。 《自动控制原理》课程教学内容多、涉及广, 以本校电气工程系自动化专业为例, 该课程为58 个总学时, 去掉10 个学时实验, 使得教学学时相当紧张。因此, 在教学内容上必须进行优化改革, 以培养计划和教学大纲为依托, 精选重点内容, 对于该课程与先修课程内容上存在有相同地方加以修改; 对大纲中规定重点内容外的内容略讲或者不讲, 敦促学生自学, 这样能把有限的学时用来讲解重点内容。另外教学时通过一条课程主线, 串联所有知识点, 增强课堂教学的逻辑性和条理性, 便于学生在较短的教学时间内能理解和掌握该课程的基本原理。通过总结, 在此基础上提出 “数学模型—系统分析—系统设计”的递进关系教学思路。

( 2) 教学方法改革。课堂教学时, 注重以学生为主主体, 教学中用采用多媒体教学, 运用丰富的画面讲解知识, 激发学生兴趣和理解。当然并不是所有课程对适合其媒体教学, 因媒体教学节奏快, 要求学生上课精力集中, 对于这种情况应采用同时对重点采用黑板板书形式。针对本课程理论性强、概念抽象的特点, 较多地采用在线仿真、实验演示等方式, 强化学生的理解。精选课程课外学习资料挂网上供学生课外实践下载学习。

( 3) 实验环节改变。目前我校 《自动控制原理》课程实验为5个项目, 共10 个课时, 分别为型环节及阶跃响应、二阶系统的阶跃响应、控制系统的稳定分析、连续系统串联校正、数字PID控制, 以前这5 个实验项目都为验证性实验, 通过对“连续系统串联校正”项目的内容修改和补充, 并通过向学校教务处申报成为了综合性实验项目, 项目 “数字PID控制”也正在修改中, 即将向学校教务处申报设计性实验项目。另外该课程实验设备为小型实验箱, 学生能看到的也都是元器件的标识, 看不到具体元器件, 通过对一台老实验箱的拆装, 让学生充分了解课实验箱的构造机理, 在实践过程中学生遇见实践出现问题应尝试让学生自己去分析原因找出问题所在, 充分调动学生的学习兴趣。

( 4) 课后作业改革。课后作业是学生加深和巩固所学内容的主要环节, 也是教师跟踪学生学习状态的主要手段[4]。前面提到学生作业抄袭较严重, 作业达不到预期效果, 主要原因是作业用到的数学知识较多, 计算量较大, 学生缺乏足耐心; 知识掌握在不足, 可以采用 “分组学习法”, 一个学习小组包含4 - 5 名学生, 选取学习成绩较好者担任组长, 督促其他同学的学习, 包括作业、答疑及与老师沟通等。每次布置作业时, 不同的小组布置的相同作业量题目, 并且题型相似但不相同, 老师批改作业时每个小组随机抽查一份, 习题课讲解时也每个小组随机抽取一位同学的作业, 并要求该同学进行讲解。事实表明, 通过以上方法能比较合适地给予了学生一定的学习压力, 提高了学生们做作业的兴趣, 且促进了同组学生间的交流和协作, 班级内的学习讨论氛围得到了很好的增强。

4、结语

本文结合 《自动控制原理》课程教学实践, 提出了自己的观点及在教学过程中的一些经验, 上述提到的改革方法在教学过程中取得了一定的效果, 但也深知还有众多的问题等待进一步的去探索实践, 争取不断获得更好的教学手段和方法, 全面提高教学质量。

摘要：《自动控制原理》是自动化及众多工科专业的一门核心必修课程, 具有与其他课程不一样的特点, 其教学质量的好坏显得异常重要。本文从课程的教学内容、教学方法、实验环节及作业环节出发浅谈了一些改革做法, 通过实践授课取得了良好的教学效果。

关键词：自动控制原理,教学质量,教学方法,实验环节

参考文献

[1]田思庆, 吴桂云.自动控制原理课程的教学研究与实践[J].电气电子教学学报, 2008, 30 (1) :112-114.

[2]周颖, 张燕, 刘作军.等.对现阶段自动控制理论教学方法的探讨[J].长春工业大学学报 (高教研究版) , 2011, 32 (3) :57-58.

[3]薛峰, 林俊, 李艳玲.高职自动控制原理课程教学改革探索[J].课程教育研究, 2015.12 (上旬) :229.

自动控制原理教学中的方法论探讨 篇2

自动控制原理教学中的方法论探讨

自动控制原理具有较强的.理论性、多学科的交叉性和广泛的应用性.根据教学实践,自动控制原理不仅是一门重要的学科,同时也是一种科学的方法论,从认识论、方法论以及控制思想的角度,就如何加深对抽象理论的理解、如何将知识转化为能力和素质等问题谈一些认识和体会.

作 者：谢志刚 齐晓慧 王永川 Xie Zhigang Qi Xiaohui Wang Yongchuan 作者单位：军械工程学院,石家庄,050003刊 名：中国教育技术装备英文刊名：CHINA EDUCATIONAL TECHNIQUE & EQUIPMENT年，卷(期)：“”(12)分类号：G642关键词：自动控制原理 教学法 方法论

刍议自动控制原理教学改革与实践 篇3

【关键词】自动控制原理；教学改革；教学实践

1.引言

各个相关的高校对于自动控制原理这一门课程的教学都是相当关注和重视的，为此他们通过对教育部指定的教材或者是自编的教材进行了精选，还对授课教师做出了精细的挑选。也有个别高校创设了省市级别或者是国家级别的精品课程，并制作了多媒体课件，这种种手段都是为了自动控制原理教学的改革和实践做准备。而自动控制原理教学的改革和实践也一定会为这一门课程注入新的力量和生命，为我国的自动化专业提供可行的理论支撑和人才力量。

2.自动控制原理教学的特点和改革的必要性

2.1 自动控制原理教学改革的特点

对于自动控制原理这一门课程的教学而言，其特点可以从三个方面简单地说起：

①自动控制原理这一门课程要求它必须要有直观的工程背景。到目前来说，自动化控制已经在农业、工业、航空、军事以及社会科学等各个领域都得到了广泛地应用。由此可见，学生在对这一门课程进行学习的时候往往都没有对其应用的领域有一个直观且感性的认识，学习缺乏主动性，再加上没有实践的机会，使这门课程和现实相脱节[1]；

②自动控制原理这一门课程所涉及到的理论知识比较多。在对各种控制系统的数学模型进行建立的时候需要涉及到电学、光学、力学、热学等物理方面的知识，也需要有电机、电路和电力电子等方面的知识，还必须要具备非常熟练的建模能力和运用繁杂的知识解决实际问题的能力。由此可见具有扎实的数学功底是学好这门课程的关键，这就要求学生必须具备良好的数学素养[2]；

③自动控制原理这一门课程包含了很多的图形。像是根轨迹图、对数坐标图、极坐标图和工程应用原理图等，这些图形会使教学的直观性更强，但它会消耗更多的教学时间。

2.2 自动控制原理教学改革的必要性

根据上述所说的特点，关于自动控制原理教学的改革是势在必行的。因此采用传统的教学方法来对自动控制原理这一门课程进行教学必然不能有效地提高学生学习的效率，也会为学习带来一定的麻烦，使教学实践紧张，教学内容冗杂，教学知识点太难，这样便不能够达到应有的教学效果。由此可见，为了使学生更好地将自动控制原理的基本知识掌握且扎实，也为学生今后的相关工作打下坚实的理论基础，从而解决好教授与学习、理论学习与实践操作、中文教材和外文教材等多方面的问题， 对自动控制原理的教学进行改革是势在必行的。笔者认为对于这一门课程的改革需要从教学的目标还有教材、教学方法、教学实践等方面来进行。

3.自动控制原理教学的改革与实践

3.1 优化教学的内容，培养学生的系统思维

在具体的教学当中需要对自动控制原理的教学内容做出优化，以此来避免因为这一门课程和其他课程方面存在着共同性而过多地浪费学生的学习时间。因此，在具体教学当中，相关的教师需要全面了解所学专业学生的所有课程，重点突出本门课程的重点，将自动控制原理这一门课程与其他课程相通的地方简要带过。对于自动控制原理原理这一门课程来说，其教学的主要内容应该对系统的控制理论和控制方法做出简要的讲述分析和反馈，除此之外还需要对根轨迹发、时域法以及频域法等三大经典方法和线性系统的矫正方法做出重要的讲解。在理论分析上，自动控制原理需要更加注重工程的定义、工程的物理意义和工程的实际应用，因此需要对这一方面的内容做出详细的阐述。在对学生的培养上，需要积极培养学生的系统细微方式和系统创新能力[3]。自动控制原理这一门课程的主要研究对象是负反馈系统，所以其学习的内容是对负反馈系统的设计与分析。因此，在具体的教学当中需要在这个基本的框架下系统地展开思维的练习，教师需要注重紧抓课程的关键，对学生系统思维方式进行训练，在实践过程当中遇到新的系统时，学生便能够更好地自主对该系统进行分析和控制。

3.2 将理论结合实践，激发学生学习的兴趣

使自动控制原理的理论和实践更好地结合起来，不仅仅需要有严密的理论体系，更要有生动可行的工程实例。在具体的讲授当中，教师需要更加重视对基本方法的介绍和对基本概念的讲解，最好要在对理论的推导过程当中将工程实例的应用概念引出，这样便能够和实际的工程紧密地结合起来。而在具体的教学当中将人工实例加入进来可以增加学生学习的兴趣和学习的积极性、主动性。举例来说，比如在对PID控制进行讲解的时候，教师可以将温度控制结合起来，以此来讲解工程PID参数整定的实例，然后再将调节器的正定参数按照先比例后积分再微分的程序置于一些经验数值之后，然后进行给定位扰动，对系统过渡过程的曲线做出观察，如果曲线不够理想，那么对调节器的相关值做出调整，如此进行反复的凑试，这样方便寻找最佳的正定参数，直到控制质量和所要求的相符合为主。这样通过具有实际意义的讲解能够使学生对于自动控制理论这一门课程讲解的理解更加的深入[4]，并且在学生对课程进行深入理解的同时，也将其自主学习自动控制理论的兴趣激发出来，如果学生自身足够优秀的话，还能够自愿地区参加大学生科研立项，对相关的单片机和微机原理课程进行自学，从而实现对最终目标的控制。因此，在理论联系实际的同时，更需要注重对学生工程思维习惯的控制和培养，对符合工程参数的选址进行强调和合理估计，将工程经验进一步建立起来。

3.3 强化实践环节以提升学生的综合实力

实践教学是对理论知识的一种验证，对于培养学生的动手能力具有十分重要的意义，而对自动控制原理进行实践教学更是培养学生自主创新能力和科研能力的一个最为重要的环节。对自动控制原理进行实践教学可以采用自动控制原理的试验箱，对典型环节和典型的电路模拟分析课程进行开设，还要安排好关于闭环电压控制系统和聘礼特性的测试以及系统参数的确定工作。要做好关于根轨迹的矫正工作和频率矫正工作，做好系统串联的矫正工作，紧抓转台反馈系统，和状态观测器等基本实验，这样能够将学生对基础知识的理解和认识加深，更加方便锻炼学生的动手能力。在对基础实验进行强化的同时还需要设计一些必要的综合性质的试验，这样可以利用实验室的硬件环境，对典型的控制系统做出研究和分析，比如水位的控制系统、直流电机的调速系统、温度的监控系统等，只有让学生将所学到的所有原理和知识综合运用在一起，才能够培养起学生利用科学分析方法解决实际问题的能力。可见设计性试验可以强化教学实践的环境，对于提升学生的综合实力具有重要意义。

4.结语

笔者在本研究当中主要针对自动控制原理教学的改革和实践方面的问题做出简要的分析和探讨，文中笔者也涉及到了一些自己的主观看法和主观见解。笔者认为，针对自动控制原理课程教学的改革和实践来说，最好要通过对教学课程的设置，对教学实践的合理安排，对教学课本的合理利用等方式来充分发掘学生的潜能，只有这样才能够更好地促进这一学科的发展。

参考文献

[1]田思庆，吴桂云.“自动控制原理”课程的教学研究与实践[J].电气电子教学学报，2011，15（1）：264-265.

[2]唐超颖，姜斌.“自动控制原理”课程的探究性教学实践[J].电气电子教学学报，2013，8（6）：25-26.

[3]吴晓蓓.“自动控制原理”课程讲授的几个要点[J].中国大学教学，2014，10（9）：382-383.

自动控制原理实践教学 篇4

自动控制原理教育为理工科院校电气与自动化专业重要的必修专业基础课,是自动控制系统、自适应控制、智能控制等专业课程的先修课程。通过本课程的学习,培养学生分析、设计控制系统的能力,熟练掌握MatLab软件在控制系统的应用。通过实践性教学环节的训练,培养学生工程实践能力,是一门知识覆盖面广、课程内容多、更新发展快且应用性很强的课程,该课程对学生建立系统和工程的概念具有十分重要的意义。而实验教学是实现这一目标的主要方法和途径。

1 本课程教学总结

1.1 理论紧密联系实际

虽说这是一门理论专业课,但与实际生活紧密相连。其本质是用理论去指导实践,并从实践中去理解理论,使学生真正理解控制理论。授课时,引用实例来说明理论知识,使学生学有所用,提高他们学习本课程的兴趣。

1.2 突出重点,了解难点

《自动控制原理》是一门理论性很强的专业课,我们要掌握重点,了解难点。本课程重点是:时域分析法、频率分析法、校正原理和采样控制系统分析。该课程的理论都是建立在图形的基础上进行的分析,而手工画图是一件非常不容易的事情,且人工求取参数值,很多地方都需要借助软件求取,或者通过查表获取数据,对实际教学造成很大的不方便,而实验教学刚好弥补了这种不足。由于我们授课对象是应用型的2B类的大学生,过深的理论和难点可以一概而过,而对有兴趣的学生可以进行个别辅导。对于重点内容要完全把握,这是学习本科程的意义所在。不仅使学生掌握这些分析方法,还要让学生运用这些方法分析工程问题。为以后学习《电力拖动自动控制系统》打下良好基础。

1.3 采用多种授课方式

本课程使用现代化教育手段,包含多媒体教学和计算机仿真软件,来帮助学生理解自动控制。为提高学生的学习兴趣与效果,改变原有的纯板书式教学,采用“多媒体黑板”教学方式。对不同的教学内容选用不同的教学方法;在设计多媒体教程时,把握好多媒体的使用时机,正确处理多媒体和粉笔、黑板及语言表达之间的关系;考虑学生承受能力,避免因课堂教学信息量过大导致学生跟不上,多媒体优势得不到体现。利用计算机仿真软件,穿插演示响应曲线、Bode图、Nyquist图,使学生加深理解。

1.4 加强实验、实训

实验配合授课教学循序渐进地进行,有利于学生及时快速理解内容。而实训安排在课程授课结束后,实训期为一周。便于学生消化、总结、提升、完善理论知识。是本课程教学过程中的重要环节。为了调动学生学习积极性,激发学习兴趣,增加开放式实验教学,实验内容灵活多样,让学生有更大的自由,更多的选择机会,学生在自行设计中应用所学综合知识进行独立分析、解决实际问题,使理论与实践有机结合,使所设计的内容经过实践调试加以实现,增强学生的自信心、实践能力及创新能力。实验、实训为学生提供了发挥潜质的平台。

1.5 精选例题、习题

对于例题、习题的选取不能像高中时期采用“题海战术”,要以具有代表性、典型性为宜,“不求量,但求精”。学生从每个例题及习题中领略自动控制的性质。

以下以校正原理为例,探讨作者对该门课程的实验教学方法:

频率法校正是自动控制原理课程中,非常重要的一个章节,对实践分析具有非常重要的理论依据,下面以期望串联校正为例。

期望串联校正(图1)。

G0(s):未校正前的传函数,性能不能满足要求;G(s):是满足性能指标的期望传递函数;设引入一校正网络Gc(s)后,能使系统满足期望传递函数G(s);问如何求校正网络Gc(s)?

分析:因为Gk(s)=G0(s)Gc(s)

考虑对数频率特性:L(w)=Lc(w)+L0(w)

所以:Lc(w)=L(w)-L0(w)

2 期望对数频率特性

四阶期望特性(图2)。

其截止频率和中频宽度可用以下公式确定

确定期望串联校正装置的一般步骤是:(1)绘制满足系统稳态性能要求的未校正系统的对数频率特性。(2)确定开环系统的期望对数频率特性。(3)从期望对数频率特性减去未校正系统的频率特性,从而得到校正装置特性。(4)设计校正装置。

例题已知未校正系统的开环传递函数为:

对系统提出的性能指标为:无差度阶数为v=1,速度误差系数Kv=200,最大超调量δ%燮32%,调节时间ts燮0.6s,试用期望法确定系统串联校正装置的特性。

解:(1)先绘制出未校正系统的对数频率特性(通过实验画出图3所示的图形)。

(2)求出开环系统的期望对数频率特性的参数。通过实验画出期望校正图形(图4)。

期望对数幅频特性的低中频与中高频段的频率特性,这两段的斜率均为-40dBdec,中低频段交未校正特性的低频段于B点,B点的频率为0.4,中低频段与中频段的交点为C点,C点的频率为4,中频与中高频段的交点为D点,D点的频率为40,将中高频段延长,交校正前的系统的高频段于E点。E点频率为100,高频段与低频段与校正前的系统重合。

(3)由期望特性对数幅频特性可知,校正后的系统的开环传递函数为:

则校正系统为:

(4)由于题目已知的是时域指标,需通过实验画出校正后的阶跃响应曲线,图形如图5。由图形获取时域指标(上升时间为0.55,超调量31.6),满足设计要求。

摘要：实验教学是自动控制原理课程的重要教学方法,是一个复杂的系统工程,教师需要在课前准备、课堂组织、课后总结等多个环节精心准备和设计。本文根据作者从事自动控制原理核心课程教学工作的实践,以自动控制原理这门课程中的校正原理为例,从实验的组织与实施、实验教学的总结与提升三个阶段出发,探讨了实验教学法在自动控制原理课程中的应用。

关键词：实验教学,校正原理,自动控制原理教育

参考文献

[1]胡寿松.自动控制原理2001.

[2]潘双来.信号、系统与控制课程群建设[J].电气电子教学学报,2004,(06).

[3]张继永.优化课程体系,促进教学改革[J].中国现代教育装备,2007,(02).

[4]郑明方.自动控制理论课程的教学改革与实践[J].江苏工业学院学报,2001,(11).

自动控制原理实践教学 篇5

茅靖峰，吴爱华，吴

晓

(南通大学 电气工程学院，江苏 南通 226007)摘要：“DSP原理与运动控制系统”课程具有知识面宽、综合性和实践性强的特点，是一门较为难教难学的课程。为了切实培养学生的DSP技术应用能力，取得良好的教学效果，本文从课程的教学目的，教学内容、教学方法和课程考核方式等方面进行了一些有益的教学研究和探讨，对电气控制类DSP技术的教学有一定的参考意义。

关键词：DSP原理；运动控制；教学研究；任务驱动法

中图分类号: G642.3；TM301.2

文献标识码：A

文章编号：1008－0686（2007）01－0008－03 Teaching Research of “DSP Principle and Motion Control Systems”

MAO Jing-feng , WU Ai-hua , WU Xiao(Institute of Electrical Engineering, Nantong University, Nantong 226007, China)

Abstract：“DSP Principles and Motion Control Systems” is a course with characteristics of wide knowledge, extremely strong integration and practicality.The course is generally difficult for teaching and learning.In order to train student to good DSP technology practical application ability, and to achieve satisfying teaching effect, this paper introduces some helpful course teaching research experiences in teaching goals, teaching contents, teaching methods and examination method.These experiences may have some reference value for DSP technology education of electrical engineering major.Keywords：DSP principles;motion control;teaching research;task-driving method

DSP课程的专业知识背景深、综合性和实践性强，如何在有限的学时内，高质量地完成教学任务是一个值得研究的问题。笔者根据本校电气控制类专业的实际培养需要，开设了“DSP原理与运动控制系统”课程，经过几轮的教学，总结了一些经验。以下介绍对这门新课程的实践和探索情况。

一、课程特点分析

已经出版发行的多数DSP教材较适用在通信与信号处理领域的应用，而适合于电气控制类专业的DSP运动控制类教材和教学资源相对较少，我院开设的“DSP原理与运动控制系统”课程具有如下特点：

（1）知识面宽：DSP在体系结构、硬件接口设计和软件编程思想等方面较之前续微处理器（MPU）课程，有着一定的继承性和相似性；运动控制是电气控制类专业的主干必修课程。由这两部分组成的“DSP原理与运动控制系统”课程，涉及知识面较为广泛，学习起点较高。在课程的教学上，不仅需要学生必备一定的基础知识，例如：微机原理、单片机技术、运动控制、特种电机、自动控制原理、计算机控制技术，电子技术、C语言编程等。而且在课堂上也需要教师经常对这些内容进行简要的穿插回顾。因此，需要在整定课程教学内容和应用先进教学手段上下功夫。（2）综合性强：基于DSP的应用控制系统是集器件原理、专业知识、算法软件与硬件设计为一身的紧密结合体。“DSP原理与运动控制系统”课程的两大组成部分应该是有机地联系在一起的。这些DSP在运动控制中的典型应用不仅培养了学生对DSP控制器的整体理解能力，还进一步帮助学生加深了对电子技术、计算机控制技术、自动控制、调速系统、检测技术等诸多专业领域知识的再认识，增强学生的“系统”感念，有效培养了学生的系统综合能力和创新能力。

（3）实践性强：本课程的目标是培养电气控制类学生的DSP器件应用能力，使学生具有独立分析、设计和调试DSP系统的工程应用能力。但是，在目前专业课普遍缺少课时的情况下，本门课程的实验环节课时规划和实验内容选材也是课程教学研究的关键。

二、课程教学的研究与探讨

针对电气控制类DSP课程的以上几方面特点，我们在进行“DSP原理与运动控制系统”课程的教学中明确：以培养DSP技术的实际应用能力为中心，把学习器件的理论知识与控制背景的实际应用紧密结合起来的教学思路。

1、合理选择教学内容和授课方式

我们考虑到市场占有率和器件生命周期，选择了TI公司C2000系列的TMS320LF240x DSP作为教学的目标芯片。

开设的这门课程由TMS320LF240x控制器原理与基于DSP的交、直流电机和开关磁阻电机控制系统设计两大部分组成，前者是基础，后者是实例。

在具体的DSP原理教学内容上，我们突出总体结构、事件管理器、中断管理系统和指令系统的讲解。这一部分宜采用“比较法”进行教学，即将LF240x的相关内容与学生们熟悉的MCS-51内容相穿插，进行比较对照，以帮助学生更好地理解和接受新知识。例如，在讲授LF240x存储器结构时，我们可首先回顾MCS-51的存储器结构，即程序与数据总线合一的冯诺曼结构，它在寻址过程中，总线使用ALE信号实现分时复用，显然工作效率不高；然后我们引出DSP处理速度快的一个原因就是，芯片广泛采用了程序与数据空间分立的哈佛结构，指出这种结构不仅较MCS-51增大了存储器空间，使DSP芯片具有了独立的16位程序、数据与I/O空间，而且配合多总线技术和并行工作机制，大大提高了数据的处理速度。此处还可以为DSP汇编指令所具有的多步操作能力埋下伏笔。接下来我们再进一步说明，由于LF240x存储器结构的改进（多空间的分立），导致了DSP存储器接口的复杂度增高，使芯片具有与MCS-51不同的数据线、地址线及片选信号线（DS、PS、IS、BR、STRB等），因此要在DSP存储器扩展时多加注意。显然，采用“比较法”教学方式可将复杂的内容逐步分解，陌生的概念被已知的内容类比（替代），如此循序渐进、逐步深入，提高了学生的学习兴趣，易于新知识点的理解和掌握。

在具体的运动控制系统实例教学内容上，我们突出两个方面：一是硬件接口，二是软件框架。前者需要结合DSP原理部分讲解在具体的电机控制应用案例中各引脚资源的合理使用方法；后者应就具体案例讲解DSP应用控制程序的整体结构、各功能寄存器的配置顺序、算法编写技巧等。这一部分宜采用“任务驱动法”进行教学，即将一个典型DSP应用案例，按所学的DSP知识要点细化分解为多个控制任务，通过教师逐步引导，激励学生主动思考并找出解决方案，以提高学生学习和应用DSP知识的能力。以开关磁阻电机调速系统为例，当电机原理讲述完毕后，我们可以依次向同学提出如下问题：对于电机的位置闭环问题，我们需要使用那些DSP片内外设？若使用捕获引脚进行转速测量，应采用什么捕获触发方式？与捕获相匹配的定时器采用什么计数模式？分频系数如何设定？转子定位的计算式如何推导？对于转矩闭环，DSP需采集什么反馈量？电流反馈信号如何调理？ADC模块如何合理配置？

在实验内容的安排上，重点突出基本应用技能的掌握。我们采用内容由简单到复杂的实验方式，如从必选的仿真器使用、数据运算及传送、定时器及I/O使用等，到选做的频率计、可控正弦波发生器、数字PID算法等。让学生真正学会一些基本的DSP开发调试方法，为将来的毕业设计和工作打下基础。

此外，在课堂理论教学上，非常有必要花一定的精力对课程第一章的概述部分进行较生动充实的讲解。向同学们讲明诸如：DSP的定义、特征、历程、分类及主流芯片等问题。并应用实例法，给出DSP三种典型应用：图像处理、语音处理和电机控制的整体系统功能图、实物照片以及样品PCB板，力争勾勒出一幅DSP器件应用、发展和前景的全貌，以使在本课程的起始阶段就能激发学生的学习热情、快速地进入角色。

2、应用多媒体教学手段

制作的多媒体课件不仅能够简单明了地概括出各章节的知识要点，还大量运用网络资源，将DSP的新技术、新应用以及具有代表性的表格、图形、图像和动画搬进课堂，创造出一个图文井茂、有声有色、生动逼真的教学环境。

例如，在DSP器件原理介绍时，我们把总线结构、中央处理单元、程序/数据存储器配置、各模块内部结构以及控制寄存器功能等重要的图和表，用多媒体课件的形式来很好的展示；把复杂的汇编指令执行时序和影响状态位的变化过程等，不易单纯用语言文字讲清楚的内容，用动画演绎的形式表示出来，以使教授内容有的放矢、重点突出、易于学生掌握；在DSP运动控制应用中，我们将直流电机的H桥逆变电路开关工作状态和电流响应时序、交流异步电机SVPWM控制的空间电压矢量合成原理、开关磁阻电机的转子位置与相电感变化趋势等抽象内容，用图形和彩色动画的形式表现出来，力争在有限的课堂时间内对这些已学知识有个快速回顾。

对于DSP汇编程序设计和开发环境使用这一章节，仅采用多媒体课件进行讲解是不够的，描述程序编写和调试流程不如在课堂进行现场演示。因此，针对这一章节，我们采用将实际DSP开发环境搬入课堂的办法进行讲授。首先，让同学们对DSP开发套件的三大部分（调试软件CCS、仿真器TDS和评估板EVM）进行实物接触，然后，教师以一个流水灯实验为例，通过直接操作CCS软件，讲授DSP工程的建立方法、三类文件：头文件（F2407REG.H）、配置文件（LED.CMD）和主文件（LED.ASM）的功能、结构和编写方法，以及具体调试方法等基本概念和操作。进一步通过更改诸如：头文件的宏指令定义、配置文件的“段”定位配置、主文件的延时常数等参数，使学生亲身感受到实验结果的变化。

3、加强师生互动交流

在授课过程中，加强了师生互动的交流环节。其具体措施不仅是在课堂上老师多提启发性问题引导学生主动思考（任务驱动），课间多请学生提问题，还将教学小组成员主持和完成了多项DSP控制系统课题的科研成果融入到教学环节中，通过参观和现场讲解DSP应用案例的成果实物[3,4]，如开关磁阻电机控制系统和磁悬浮数控系统等，以调动学生的学习积极性。

4、采用科学的考核方式

我们将“DSP原理与运动控制系统”课程的考核方式定为平时成绩＋期末笔试的综合方式。平时成绩来自于学生的课堂表现、师生问答、作业成绩和实验技能等方面的综合。期末笔试采用开卷考试的方式进行，要求学生在120分钟时间内独立完成诸如：功能寄存器的模式配置、中断服务程序框架的编制、算法软件的编写、硬件接口的设计和运动控制系统的分析等应用型考核试题。这一部分注重学生实际能力的体现。

三、结束语

“DSP原理与运动控制系统”课程是电气控制类一门涉及多类课程、知识背景深、实用性强、技术更新速度快的专业课程。在课程教学中我们需要明确树立学生的主体观，合理安排理论和实践教学内容，运用合理的教学方法和手段，以及科学的评价体系，努力提高教学效果，切实培养控制类学生的DSP工程实践能力、自主学习能力和创新能力。

参考文献：

[1] 邹彦.DSP原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2005 [2] 周云松.《DSP原理与应用》课程教学研究与实践[J].福建电脑,2005,12:159-160 [3] 茅靖峰,赵德安,刘羡飞.基于DSP的车用开关磁阻发电机控制系统研究[J].中小型电机, 2005,32(1):46-48 [4] 吴国庆,张钢,张建生,等.基于DSP的磁悬浮电主轴数字控制系统研究[J].电气自动化, 2005, 10(3):12-13

作者简介：茅靖峰（1976－），男，浙江宁波人，博士生，讲师，主要从事电气工程及其自动化专业的教学与科研工作。Email：mao.jf@126.com；TEL：*** 基金项目：江苏省教育教改课题，南通大学课程群建设课题，南通大学教育教学研究基金课题（05010）

自动控制原理实践教学 篇6

关键词：《自动控制原理》；课堂教学；教学效果

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）49-0208-02

《自动控制原理》是一门公认的学生难学、教师难教的课程。笔者认为，教师要传授知识给学生，并且在有限的时间内帮助学生掌握更多更有用的知识，提高课堂教学效果是关键。

一、上好第一堂课

新课的导入做得好，课堂上就能唤起学生的求知欲望，使学生积极开动脑筋，主动地获取知识。老师每给学生新开一门课，都会精心准备第一堂课，希望通过这精彩的第一次，让学生重视该课程的学习。笔者觉得，《自动控制原理》的第一堂课如果能切实解决以下三个问题，课程教学就成功了一半。

1.消除学生对课程的神秘感和恐惧感。很多学生光听课程的名字，就肃然起敬，觉得这门课很高深，好神秘；加上学长学姐有关该课程如何难学的一些片面的介绍，会莫名地产生对课程的恐惧。此时老师可从学生熟悉的生活出发，通过大家都有切身体会的实例，如澡堂的热水器控制、室内温度的空调器控制、根据车流量调整通行时间的交通灯自动控制等，使学生明白自动控制固然有其尖端深奥之处，但在我们的身边也有很多地方用到自动控制，平时我们自觉或不自觉地在应用自控原理的相关理论；系统学习本课程，能进一步提高理论修养，将来能更好地把相关知识应用于实践中。学生消除了对课程的神秘感和恐惧感，就能树立学好课程的信心。

2.使学生懂得为什么要学习本课程。《自动控制原理》是高校自动化及相关专业的专业基础课，是电气信息类、机械类和能源动力类等许多专业的学科基础课程。该课程也是上述专业本科生后续课程和研究生课程的基础，在控制科学与工程学科中占有基础性的地位，其重要性大家都已经达成了共识。除此以外，更重要的是《自动控制原理》中蕴含着许多解决问题的科学思想、科学方法，如黑箱方法、功能模拟方法、相似系统方法、反馈思想及方法、补偿方法、动态发展方法、信息综合应用方法等[1]。这些科学方法不仅在工程控制学科领域发挥着重要作用，也为经济控制论、社会控制论、生物控制论等许多其他学科所借鉴，适合解决许多非工程问题。因而《自动控制原理》属于一门方法论的课程，不论是哪个专业的学生，无论将来是否从事自动控制相关的工作，学习该课程都是十分有用的。在教学过程中，从方法论角度介绍《自动控制原理》的理论与方法，有助于培养学生的科学思维，开阔学生的思路。学生打消了学习的顾虑，提高了对课程重要性的认识，就会主动学习。

3.让学生明确课程的主要内容。如果学生在学习过程中既不清楚既往学习内容的条理性，也不知道接下来要继续学习的知识内容，仅仅是老师讲什么学生就听什么，那么课程教学的效果一定不好。因此，教师在正式授课前给学生一个关于课程内容的明晰的整体概况认识十分必要。《自动控制原理》内容丰富，概念抽象，涉及面广，公式繁多。但是它的系统性非常强，结构分明，条理清楚。其授课内容分为三大功能模块：系统建模、系统分析和系统设计。课本中的各章节均可归纳到这三个功能块的模式里。在这三个模块内容中，建模是基础，稳定性是系统分析的核心，稳定性基础上的性能要求是系统设计的主要任务[2]。学生明确了课程的主要内容，就能够从整体上把握课程的学习，在学习过程中能够做到有的放矢。

二、强化一个概念——传递函数

学生在前导课程《电路分析》中已经接触过传递函数的概念，但当时是在单一独立激励下定义的，并且主要从单纯的电路角度进行分析，称传递函数为“网络函数”。在《自动控制原理》课程中再提传递函数，并不是简单的重复，而是要从更深更广的角度进行分析和讨论。传递函数是《自动控制原理》中最重要的概念，必须在课堂上着重强调。

1.传递函数是系统模型的重点形式。经典控制理论与现代控制理论的重要区别之一就是对系统的分析建立在系统的数学模型基础上。系统的数学模型有多种形式，但都可以转化成传递函数。如零初始状态下微分方程通过拉氏变换可得到传递函数；结构图经过等效变换或梅森公式可化成简单的传递函数形式；传递函数中用jω代替s算子就得到系统的频率特性等等。因此系统的建模形式的重点是传递函数。课堂上应让学生掌握建立传递函数的各种方法，如定义法、冲激响应取拉氏变换法、结构图等效变换法、梅森公式法等等。

2.传递函数是系统各种分析方法的基础。《自动控制原理》中对系统的分析主要介绍了时域法、频域法和根轨迹法，各种分析方法都建立在传递函数的基础上。如根轨迹分析方法，就是根据开环传递函数绘制系统参数变化时的闭环根轨迹，由此讨论系统的各种性能；时域法中先利用传递函数求响应的像函数，再求其反拉氏变换得到响应的时间函数。传递函数可以写成多种形式，不同的形式之间可以相互转换；但如果在不同的分析设计方法中使用其特定的对应的形式，可以使求解过程更方便快捷。例如已知系统的微分方程，进行根轨迹分析时，将其传递函数化成零极点形式绘图十分快捷；而要对系统进行复合校正时把传递函数写成s的多项式相除形式较方便；等等。

3.重视相似性原理。传递函数在《自动控制原理》中的地位不可撼动，并不意味着所有系统的传递函数都要求解和分析。实际系统千差万别，不可能也没有必要全部分析。教师重点教会学生面对大量的、实际的、具体的系统，抽象出其重要的共同的特点，忽略次要的不同的因素，建立起统一的数学模型，再利用数学的方法进行定量研究，然后回到实际的系统中。如在建立系统数学模型的讲解中，可列举二阶滤波网络（电气系统）来说明数学模型建立的方法，并让学生仿照推导弹簧阻尼质量的机械系统的传递函数，由此说明不同的系统可以具有相同的数学模型，即系统具有相似性。正由于有相似性原理，使得我们能够用电路系统来模拟实际系统，将控制理论的方法实际化，实现从抽象到形象的过渡；更进一步地，我们能够高屋建瓴，将个性问题共性化，具体问题抽象化，用传递函数来表征系统。这也是《自动控制原理》中引入传递函数，用数学的方法分析设计系统的原因，体现了数学的精妙之处。无论对多么复杂的实际系统，都用若干典型环节及其组合来表示，而不拘泥于各种具体的系统。老师授课时选择典型工程对象，将理论与实际系统联系起来，将书本上一个个抽象的框图巧妙地与实际系统相联系：一个惯性环节可以代表单容水箱，也可以是加热炉，还可以表示某些机械转动系统。传递函数的引入以及相似性原理的介绍，能帮助学生消除“自动控制原理是数学的一个分支”的误解，更能一定程度上弥补学生由于工程背景欠缺造成的课程学习的困难。

三、理解一张图——特征根分布图

时域法有很好的直观性，能提供系统时间响应的全部信息，非常容易理解，是一种最常见、最方便的系统分析方法。二阶系统分析是时域法中的重点内容，这不仅因为许多实际系统可以用典型二阶系统描述，更重要的是二阶系统的参数与性能指标有对应的解析关系，可以作为系统设计的基础。二阶系统的阶跃响应分过阻尼、欠阻尼等多种情况，各种响应的公式及其对应的性能指标公式繁杂。为了不使学生对这些公式反感，教师可以着重讲解系统的特征根在复数平面的分布图。以欠阻尼系统的衰减正弦振荡响应为例，如图1。系统特征根分布在【S】平面上，其实部绝对值σ决定振荡幅度；虚部绝对值ωd决定振荡角频率；连原点的直线与负虚轴夹角β是正弦振荡初相，它与阻尼比有关；极点与原点的距离恰为自然振荡角频率ωn。从系统的特征根分布图，就能知晓系统的参数，以及当系统参数变化时系统的性能。特征根分布图还能帮助记忆公式。学生理解了这张图，就可以很容易联想到改善系统性能的若干措施。

四、记忆一张表——稳态误差表

几乎各种《自动控制原理》教材上都有表1所示的稳态误差表，但大多没做太多解释。其实并不是所有的稳态误差都可由该表求取。闭环系统只有在穩定的大前提下，当误差是从输入端定义，且误差由单位输入信号引起时，才可以根据开环增益确定系统的稳态误差。教师在课堂上主要是引导学生学会看这张表，从横向、纵向、对角线等各个不同角度去理解影响系统准确性的各种因素，知晓用该表求解系统稳态误差的前提和条件，以及表中参数的意义。稳态误差表结构特殊，容易记忆，学生在理解的基础上记忆该表，使用时就能得心应手。

课堂教学是一门复杂的系统工程，需要教师学生共同努力才能取得好的效果。笔者在该课程的教学实践中就提高教学效果进行了一些思考，从上好第一堂课、强化传递函数概念、理解特征根分布图、记忆稳态误差表等几方面谈了自己的体会，希望与教学一线同仁共享、切磋。

参考文献：

[1]齐晓慧，等.自动控制原理课程中的方法论教学[J].中国电子教育，2012，（3）：29-33.

自动控制原理实践教学 篇7

关键词：自动控制原理,教学改革,教学质量

引言

自动控制理论发展的历史并不长, 从二十世纪三十年代开始, 不过几十年的发展, 而真正进入高等学校课程还是二十世纪五六十年代。它的出现给高等教育注入了新的活力, 目前这门理论课程已是控制类和电子信息类专业的主要专业基础课之一, 是一门知识覆盖面广、课程内容多、更新发展快且应用性很强的课程, 该课程对学生建立系统和工程的概念具有十分重要的意义。

1 改革教学内容, 提高教学质量

随着控制理论的发展和计算机技术的应用, 新的控制方法和控制手段也越来越多, 为了适应时代要求, 根据本科专业培养目标和专业特点, 我们对自动控制课程的内容进行了重新整合, 选用优秀教材, 制定了新的教学大纲、实验大纲和考核大纲。适时地把一些新内容、新的教学成果、应用实例融合到教学内容中, 做到课程内容的基础性和先进性相结合, 把握经典与现代、本课程与其他相关课程内容的关系处理。大幅度减少了学时数, 将经典控制理论与现代控制理论结合起来讲授, 重点讲解控制理论的基本知识及应用, 理清思路, 了解方法, 增强系统性。

自动控制原理的教学内容有一条主线:系统分析和系统设计。围绕这条主线, 把教学内容划分为六大块:自动控制的一般概念、数学基础与数学模型、系统的分析、系统的设计、采样控制系统的分析和非线性系统的分析。对于系统分析是重点讲解部分, 介绍了各种分析方法:时域分析法、根轨迹法、频域分析法, 状态空间法等, 进行有关系统的动态、静态分析, 以及能控性和能观性分析;在系统设计这一重点部分的讲解中, 介绍了根轨迹设计法、频域设计法和状态控制设计法, 与系统分析相呼应, 使学生在整个学习过程中, 围绕“系统分析和设计”这条主线进行, 做到举一反三, 从而对自动控制理论有一个完整清晰的理解。

在分析设计这个主线下, 以稳定性指标为辅线。在各个有关章节的小结中对稳定性都予以重点讨论, 通过对各种稳定性判断方法的分析, 把前后的知识点加以衔接联系, 并综合应用。

在讲清系统物理概念的基础上, 结合课程内容, 引入先进的计算机辅助教学手段。将Matlab软件在控制系统中的应用引入课堂教学, 在诸多课堂教学环节中实现了Matlab仿真演示, 增强了学生对抽象理论的感性认识, 收到了良好的教学效果。

为体现教学内容的先进性、科学性和前沿性, 引导学生进一步学习的兴趣, 对目前控制理路研究的热点和发展趋势作一些简要介绍, 如模糊控制、智能控制等。

2 改革教学方法, 提升教学手段

自动控制原理对学生的定性分析能力、定量估算能力、综合运用能力、数—形结合能力有一定的要求, 并需具有扎实的数学基础, 学生在学习中经常会感到困难而产生畏难情绪, 影响学习效果。因此, 改革传统教学方法和教学手段, 进而提高教学质量, 是课程改革的重中之重!

2.1 采用现代教育技术与手段提高教学效果

在以信息、知识爆炸为特征的今天, 传统的教学手段以不能适应时代的需要, 教学手段的改革势在必行。在《自动控制原理》课的多媒体教学实践中, 我们努力探索如何使多媒体这一先进的教学手段更好地服务于课堂教学, 开发了《自动控制原理多媒体课件》、《Matlab仿真软件包》等CAI课件, 采样了多媒体与板书相结合的教学方法, 既充分利用了多媒体教学的生动、逼真、容量大的优点, 又充分利用了板书教学的严谨性、逻辑性强的优点。实践证明, 这一方法取得了良好的教学效果, 受到了学生的认可, 对教学质量的提高起了一定的积极作用。

2.2 加强实践教学环节, 增强学生的动手能力

注重实践能力的培养, 坚持理论联系实际的原则, 加强学生动手训练, 培养学生的创新能力。学生对新知识的理解, 仅仅通过课堂讲解还很不够, 必须通过实践教学这一环节, 使学生对知识有一个感性认识。

实践教学是提高学生创新精神和能力的重要途径, 在教改过程中, 我们加强实验室建设, 彻底改造了原有的实验内容, 开发了综合设计实验及课程设计, 目的在于通过实践教学, 培养学生应用控制理论的方法解决实际问题、将实际问题抽象为理论问题的能力。实验只提目标和要求, 没有详细的实验步骤和实验电路图。学生根据个人情况自主选择难度等级不同的实验, 根据系统的性能要求, 独立完成系统设计, 系统搭建和调试, 记录原始数据和图形, 写出实验报告。所有这些都极大地调动了学生学习的主动性和积极性, 巩固了课程理论, 激发了学生学习的热情, 培养了学生的动手能力和独立思考的能力, 使其观察、分析和解决问题的能力都有很大的提高。

为了加强学生理论联系实际的能力, 在教学过程中还增加了课程设计这一教学环节, 通过课程设计, 使学生了解到了Matlab软件在自动控制系统中的应用, 拓宽学生的知识面, 加深学生对《自动控制原理》这门课程的基本概念, 基本的分析方法及设计方法的理解。

3 以教学推动科研, 以科研促进教学

对于普通高等教育来说, 教学固然重要, 科研也不可以忽视。教学和科研是相辅相成的两个方面, 两者不可分割。

从自动控制理论来讲, 它近几十年才建立起来, 与工程实际联系较广, 特别是在发展过程中, 数学和计算机起了很大的作用, 成为控制理论的重要工具。因此可以说, 控制理论是工程与数学、计算机科学相互作用的前沿。在教学中讲授理论知识的同时, 可以增加一些与科研结合的内容, 如在同学中选一些成绩较好, 对科研又有一定兴趣的同学, 参加有关教师的科研项目, 也可为学生科技活动中心提供一些课题, 指导学生参与科研。这样, 一方面调动了学生的积极性, 培养了学生的动手能力, 另一方面, 也可为科研活动的开展打好基础。学生通过参与科研, 学习兴趣更加浓厚了, 求知的欲望更强了。

4 下一步改革设想

该课程的教学改革已在我校实施, 取得了良好的教学效果, 学生的基本知识、专业能力、实践技能乃至学习兴趣等, 都较以往有较大的提高。教学改革的路子还很长, 尚需继续探索和实践, 使之不断完善, 下一步改革的设想有四点:

(1) 从课程的实际及教学规律出发, 以培养和提高学生的创新精神和实践技能为宗旨, 真正探索出一种新的实践教育模式。

(2) 进一步提高教师专业素质, 组织教师积极申报有关的科研项目, 在科研中提高自身业务水平, 更好地为教学服务。

(3) 通过课程的建设和改革, 自动控制原理课程内容及课程体系得到了优化, 教学工作得到了进一步完善和规范。实现理论教学与工程实践最优化等方面继续进行探讨和改革, 做到与时俱进, 促进该学科的快速发展。

参考文献

[1]余成波等.自动控制原理[M].北京:清华大学出版社, 2006.

[2]胡寿松.自动控制原理[M].北京:国防工业出版社, 1994.

自动控制原理实践教学 篇8

1 改革意义

随着科技进步, 计算机的应用范围已从单纯的数值计算扩展到扩展到信息处理领域, 内容不断丰富, 设备不断更新, 对人才的要求也越来越高。传统的实验箱功能单一、易损坏, 实践理念落后, 无法激发学生的兴趣。计算机的出现使学生的学习方法和解决问题的方法得到极大地改进。计算机最显著的功能是高速运算, 使得由于计算量过大而无法求解的问题具有解决的可能。

将Matlab/Simulink应用于课程设计中, 把大量的推导设计与图形绘制, 利用M语言实现;同时利用工具模块组建模型, 进行动态系统仿真运行。得到的结果准确、形象, 学生容易接受与掌握, 使自控课程设计改革成为可能。

应用Matlab软件对课程设计改革能够激发学生兴趣、开阔他们的思路;培养学生利用计算机解决问题的能力;更好的联系理论与实践结果, 为进一步创新奠定基础。

2 改革内容

2.1 数字仿真实践

分为课堂教学过程和上机实验过程。教学过程应在计算机机房进行, 教师简要介绍Matlab/Simulink使用方法。上机实验过程中, 学生在老师指导下以Matlab/Simulink为平台, 解决设计题目中的复杂问题, 以此为基础, 得出课程设计的理论结果[1]。

2.2 理论与实际相结合, 调动学生积极性

只要进行正确的数字仿真, 学生都能得出准确的理论结果。为了更好地理解设计内容, 有必要进行模拟电路的设计与调试。以往的实验箱虽然不复杂, 但是容易损坏, 特别是接插件部分极易松散。因此, 现在完全让学生自己动手, 自行设计电路图、焊接电路、调试电路。教师只需重点指导学生如何设计简易信号源、各级运算放大器[2]。

加强理论与实际相结合, 要求既有严密的理论体系, 又有生动的工程实例, 注重对基本概念和基本方法的介绍, 在理论推导中引出工程的概念, 在实例分析中强化理论概念, 加深学生对自动控制理论的认识和理解。如在讲解PID控制时, 结合温度讲解PID参数整定的实例, 将调节器的整定参数按先比例、后积分、最后微分的程序置于某些经验数值后, 再给定位扰动, 观测系统过渡过程曲线, 若曲线还不够理想, 则改变调节器的δ, Ti, Td的值, 进行反复凑试, 以寻求最佳的整定参数, 直到控制质量复合要求为止。

在设计硬件电路的过程中, 要求学生学会使用电路仿真软件M ultisim 7。以往设计、分析电路都是靠用笔绘图在纸上计算来获得一个所需的电路, 但往往由于要考虑到各种元器件的参数加之设计思想的不成熟, 要费很大功夫, 常常事倍功半。这是自下而上的设计方法。该方法的特点是必须首先关注并致力于解决系统最底层硬件的可获得性, 以及他们的功能特性方面的诸多细节;在整个逐级设计和测试过程中, 始终必须顾及具体目标器件的技术细节。在设计过程的任一时刻, 最底层目标器件的更换, 或某些技术参数不满足总体要求, 或缺货, 或由于市场竞争的变化, 临时提出降低系统成本, 提高运行速度等不可预测的外部因素, 都可能使前面的工作前功尽弃, 这是一种低效、低可靠性、费时费力、且成本高昂的设计方法。

因此, 自上而下的设计思想在计算机仿真迅速发展的基础上应运而生, 或者称为EDA (Electronic Design Automation) 技术。在EDA工具软件平台上, 对以硬件描述语言为系统逻辑描述手段完成的设计文件, 自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合 (布局布线) , 以及逻辑优化和仿真测试, 直到实现既定功能。

2.3 完善教学管理

严格执行实验室相关规定, 让学生养成良好的实践、实验习惯, 有助于得出更加准确、客观的实验数据。

经过一个周期的教学后, 要进行认真全面的分析和总结, 探索出全新的、完整的、科学合理的《自动控制原理课程设计》教学实践体系, 以及相关的教学文档。

2.4 建立合理的实践考核体系

除了学生上交的实践、实验报告外, 还增加了学生的面试环节, 有助于更加公平、客观的对学生的完成情况进行评定, 有助于筛选出各个层次的学生, 以便老师更好的分析总结自身的教学方法、效果, 作为进一步改进、完善的依据。

3 小结

以Matlab/Simulink及Multisim平台为依托, 自己编写《自动控制原理课程设计指导书》, 使教学实践更有针对性;让学生同时从理论和实际操作方面理解设计内容, 能够加深对控制理论的理解与掌握, 增强了他们解决实际问题的能力、开拓创新的能力。同其他改革一样, 虽然本课程改革已取得一些成效, 但仍需在今后的教学实践活动中进一步探索与改进。

参考文献

[1]田思庆, 吴桂云.“自动控制原理”课程的教学研究与实践[J].电气电子教学学报, 2008, (1) :112-114.

自动控制原理的教学方法探讨 篇9

自动控制理论是研究自动控制共性规律的技术科学,是自动化专业本科和研究生课程的基础课程,因此,它是自动化类专业很重要理论基础和技术课程。自动控制理论主要包括经典控制理论、现代控制理论,以及自20世纪80年代逐渐形成的大系统理论和智能控制理论。这里主要探讨一下经典控制理论部分———“自动控制原理”的本科教学。

1 教学方法改革

对于这门难度很高的课程,教学时应注重概念,弱化计算。只有掌握了基本的概念,有了充分的感性认识,学生才有进一步自我深化的可能。而同时感性认识获得的方法莫过于实际的例子。例如:在第一章基本概念中讲解自动控制系统的定义和组成的时候,首先需让同学们明白系统的控制过程,因此我分别举了一个人工水位控制系统和自动水位控制系统来对比讲解。由于比较贴近生活,同学们对于这个人工系统的自动运行原理基本都能自发自然的理解,所以稍加引导,就很容易理解控制对象,被控量,给定值,反馈元件,执行机构等概念。

另外在不同的章节尽量研究同一个问题,举熟悉的例子,这样有利于理解新的概念,有利于巩固学过的知识,有利于将不同章节中的知识融会贯通。

2 课程内容改革

自动控制原理的教学过程应突出本门课程具有的方法论特点,使学生建立系统的观点,培养学生对控制系统的分析能力和初步的控制器设计能力,为专业课的学习和参加控制工程实践提供必要的理论基础。采用“模块化”教学改革方案。理论教学内容主要由四大部分组成,即控制系统基本概念与数学描述、分析方法、设计方法、验证与应用四大块。其中对具有基础属性尤其是学习后续课程不可缺少的基础内容应该重点详细讲解。同样,控制系统频域及时域校正方法也可以选择性地讲解,因为这部分内容完全可以采用matlab方法完成。

3 理论与实验相结合

实验是对理论的应用,有助于学生把枯燥抽象的理论形象化,从而加深对理论知识的理解。实验由两部分组成,结合教学进度完成分为验证性实验和设计性实验。配备自动控制理论实验箱和小功率随动系统装置。小型验证性实验在自动控制理论实验箱上进行。实验箱配有上位机Labview仿真平台,通过在控制系统的模拟装置上搭建系统,调整系统参数和计算机仿真,把之前用理论分析出的结果形象直观的表达出来,加强了学生对物理概念的掌握,将抽象的数学模型与实际系统参数联系起来,提高学生的分析能力和实际操作能力。综合性实验则安排在课程基本内容学习结束之后,要求学生能综合运用所学知识,进行系统分析和设计,使系统达到预定的性能指标。

4 从实际控制系统入手进行教学,强调工程和物理概念

“自动控制原理”是一门理论性较强的课程,涉及知识面广,信息量大,所涉及的数学基础较为广泛,从微积分、复变函数、离散数学到矩阵理论。学生觉得难学,教师觉得难教。如果在教学过程中只注重一般的数学论证,缺乏工程和物理概念的阐述,学生学后不知用在哪里,如何运用。学生在课堂上忙于做笔记,课后忙于根据公式作大量的习题,考完试后,公式忘掉了,脑子里一片空白。这样的学习效果为后续专业课程的学习、毕业设计以及就业工作等带来许多问题。

在知识的传授中,注重控制思想和工程背景。本课程的设置目的不仅是对这门学科知识的掌握,更重要的是在各行业中的具体工程应用。因此在教学的全部过程中必须注重课程在工程的具体情况,并将工程的分析、设计实现方法渗入课程的教学中,如PID参数的整定及工程整定,可以通过直流电动机转速控制来实例讲解,并且借助于计算机辅助方法Matlab仿真。

5“自动控制原理”与“信号与系统”有机结合,拓宽学生的知识面

自动化专业开设的“自动控制原理”和“信号与系统”两门课,都是作为专业基础课开设,两门课程在内容上存在一定的重复。将两门课的内容有机的结合在一起,做到一加一等于二,甚至大于二。“信号与系统”和“自动控制原理”是不同性质的专业基础课,虽然在内容上存在重复,但在思想体系及出发点上不同。“信号与系统”偏重于弱信号的处理与传输,为通信系统的学习做准备。而“自动控制原理”则侧重系统的应用。因此在“自动控制原理”的教学过程中,注重对基本概念、基本理论和基本方法的阐述,使学生等到一定的工程应用概念。在选用例子时,尽量选用实际控制系统的例子,这样能够使学生在很少的时间内理解一般系统的控制规律,掌握控制系统的有关概念。而在讲述数学模型中的信号流图,采样系统中的z变换和差分方程的求解等内容时,由于这部分内容与“信号与系统”中的部分内容相重复,就可简单讲解。在“自动控制原理”中不重点讲述的脉冲响应函数和卷积的概念,而在“信号与系统”中作为重点进行阐述,这样可以拓宽学生的知识面,为第三学年学生选专业奠定了基础。

6 结语

“自动控制原理”是有关自动化专业的一门基于实践的理论基础课。各个相关高校都非常重视这门课的教学改革与创新,并取得了很大的成绩。但在教学中还存在着诸如学生的学习积极性和实验条件的限制等问题。随着时代的进步,、教学手段的更新也会与时俱进。只有不懈地努力,坚持理论与实践相结合的原则、坚持以培养学生的解决实际问题的能力为基准,就一定能进一步提高教学质量。

摘要：针对“自动控制原理”教改问题,从应用背景、理论性等方面分析了课程的特点,阐述了教学改革的必要性;然后从课程内容、教学方法、理论与实验结合、工程实例教学等五个方面提出了教学改革与创新尝试。

关键词：自动控制原理,教学方法,教学改革

参考文献

[1]罗冀,程桂芬,等.控制工程与信号处理[M].北京:化学工业出版社,2004.

[2]鄢景华.自动控制理论[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2000.

[3]胡寿松.自动控制原理[M].第四版.北京:科学出版社,2002.

[4]郑君里,应启珩,等.信号与系统[M].第二版.北京:高等教育出版社,2000.

自动控制原理实践教学 篇10

关键词：LabVIEW,自动控制原理,计算机辅助教学

1 引言

计算机辅助教学 (Computer-Assisted Instruction简称CAI) 将计算机技术运用于各教学环节, 达到激发学习者的学习积极性和主动性, 以提高教学质量和教学效率的教学模式。“自动控制原理”是自动化、电气、电子、信息、计算机及应用等专业一门重要的专业基础理论课程。该课程理论性强, 教学内容抽象, 学生理解较困难;同时, 各类图形曲线 (响应曲线、根轨迹、伯特图、奈奎斯特曲线等) 贯穿整个教学过程, 采用传统教学手段时, 教师需花费大量课堂时间绘制这些曲线, 而获得的效果却很有限。[1,2,3]该课程课堂教学CA I课件或实验教学CA I大多都是基于MATLAB开发的, 由于其实质只采用了MATLAB仿真结果, 界面呆板, 课堂上往往缺乏教师与学生的互动性, 控制系统的动态特性无法演示。[4]本文提出一种基于Lab V IEW的辅助教学方法, 这种方法人机界面友好, 操作方便, 容易实现教师与学生的互动性。

2 LabVIEW软件介绍

Lab VIEW是美国国家仪器公司 (National Instruments, NI) 推出的一种基于“图形”方式的集成化程序开发环境, 它具有以下特点: (1) 由于LabVIEW采用基于流程图的图形化编程方式, 对技术人员来讲编程简单, 易于理解, 上手快, 效率高; (2) LabVIEW提供了丰富完善的功能图标, 用户只需直接调用, 就可免去自己编程的烦琐; (3) 由软件实现的仪器界面非常友好美观, 具有强大的数据运算及处理功能, 可以方便地与MATLAB及C语言接口;[5,6] (4) LabVIEW的控制设计工具包 (Control Design Toolkit) , 是一个用于分析、设计和实现控制系统的工具与数学函数集合。作为LabVIEW图形化系统设计平台的组成部分, 它为“自动控制原理”的辅助教学提供了有力的保障。

3 LabVIEW在“自动控制原理”中的辅助教学

二阶系统时域分析是“自动控制原理”教学的重要部分, 本文以二阶系统时域分析为例说明LabVIEW在教学中的运用。

在经典控制理论中, 常用时域分析法来分析线性控制系统的性能。它直接在时间域中对系统进行分析, 具有直观、准确的优点, 并且可以提供系统时间响应的全部信息。在控制工程中, 不仅二阶系统的典型应用极为普遍, 而且不少高阶系统的特性也可以在一定条件下用二阶系统的特性来表征。[7]

二阶系统都可以化成标准形式:

其中, ξ为系统的阻尼比, ωn为系统的无阻尼自然频率。二阶系统的时间响应取决于ξ和ω这两个参数。

课堂上教师要做详细的数学推导, 经过反拉氏变换得到系统的阶跃响应, 花大量的时间绘制响应曲线, 该教学过程对于大多数学生来说比较枯燥, 若使用辅助教学手段, 可以提高学生的学习兴趣。我们使用LabVIEW及其控制设计工具包对该教学环节作了仿真, 图1为二阶控制系统的单位阶跃响应程序框图, 图2和图3为二阶控制系统的单位阶跃响应前面板, 用户可用通过调节前面板右边的滑动杆或直接输入数字改变ξ和ωn参数大小, 从图表中得到对应的响应曲线以及该二阶系统的传递函数。

固定ωn通过调节ξ分别为0, 0.3, 0.5, 0.7, 1, 2得到图2中的响应曲线, 从图2中可以得出以下结论:

(1) (a) 图中ξ=0, 零阻尼, 系统的单位阶跃响应为等幅振荡过程, 系统无法进入稳定工作状态, 不能正常运行。

(2) (b) 、 (c) 、 (d) 图中0<ξ<1, 欠阻尼, 系统的单位阶跃响应为衰减振荡, 而且ξ越小, 超调量越大, 上升时间越短。

(3) (e) 图中ξ=1, 临界阻尼, 系统的单位阶跃响应无周期性, 没有振荡和超调。

(4) (f) 图中ξ>1, 过阻尼, 系统的单位阶跃响应为无周期, 也没有振荡和超调, 响应比临界阻尼缓慢。

在图3中, ξ=0.5固定不变, 调节ωn的大小分别为0.1, 1, 2, 3得到响应曲线, 从图中可以看出其振荡特性相同但响应速度不同, ωn越大, 响应速度越快。

通过LabVIEW仿真, 可清楚地看到ξ和ωn两个参数的变化对二阶系统输出响应的影响, 学生能形象地理解二阶系统, 加深对该教学环节的印象。

4 结束语

除了在二阶系统时域分析中的应用之外, Lab VIEW还可以用于根轨迹、频域分析、系统校正以及状态空间的分析与合成等教学过程, Lab VIEW在“自动控制原理”教学的应用, 克服了传统教学中讲解内容抽象以及Matlab仿真界面不友好、参数改变不方便的缺点, 可充分调动学生的学习积极性, 提高教学质量, Lab VIEW将有力地推动“自动控制原理”教学方法的更新。

参考文献

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