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一、課程的改革與探索

針對“控制工程基礎”課程理論性強、概念和基本理論抽象的特點和學生工程數學知識欠缺、不同專業方向學生的差異以及課程內容多學時少等問題，從以下幾方面入手：

1.教學內容及教材改進

總結了多年的教學實踐和教學反饋，調整了內容，編寫了機械工程類適用的《機械控制工程基礎》教材，主要內容有：第1章緒論，明確學習目標，通過工程實例，敘述了控制系統的基本概念及控制工程的發展概況，使學生對該課程有全面的了解。第2章是拉普拉斯變換，這是整個課程的數學工具，是學習“控制工程基礎”課程的基礎。但在原來的教材中，這部分作為附錄，而不進行課堂教學，學生課下自學，結果是學生不重視。又由于工程數學這部分學生沒有學過，基本的變換性質不清楚，影響了對整個課程的學習。因此，教師安排2學時的授課時間，通過實例學習拉普拉斯變換，為學生學習后邊各章節打下良好基礎。

第3章是物理系統的數學模型及傳遞函數，本課程以機電自動控制系統作為主要研究對象。首先要建立系統的數學模型，以便從理論上對控制系統進行定性分析和定量計算，這是控制工程的基本方法。傳遞函數是在拉氏變換基礎上建立的一種常用的數學模型，是極其重要的基本概念，是系統分析、研究與綜合的有利工具，更是經典控制理論的基礎。一個實際的系統，建立了數學模型，就可以用適當的方法對其性能進行全面地分析和計算。對于線性定常系統，常用的工程方法有時域分析法、根軌跡法和頻率分析法。

第4章是控制系統的時域分析。根據系統的微分方程，以拉普拉斯變換為數學工具，直接解出系統的時間響應，然后根據響應的表達式及其描述曲線來分析系統的性能，如穩定性、快速性、穩態精度等。這樣，學生通過對系統進行時域分析，可以直觀簡便地了解系統響應的全過程，掌握系統時間響應的全部信息。但是時域分析法在實際應用時常會遇到一些問題，比如復雜系統中存在難以用數學模型描述的元部件，而頻域分析法能解決這些問題。第5章為控制系統的頻域分析。這種方法以正弦輸入信號的頻率為變量，在頻率域內通過研究系統的頻率特性及其圖形來分析系統性能。它是一種經典工程實用方法，可方便地用于控制工程中的系統分析與設計，頻域分析法是經典控制理論的核心，也是教學的重中之重。

第6章是系統的穩定性。穩定是控制系統正常工作的首條件，也是控制系統的重要性能，因此，必須要分析系統的穩定性，并提出確保系統穩定的條件。這章主要研究線性定常系統的穩定性判據及其應用，以及提高系統穩定性的方法。這一章是前幾章內容的綜合應用，要求學生能夠把前邊的知識點貫穿起來，提高綜合分析問題解決問題的能力。第7章是根軌跡法。這種方法不直接求解特征方程，而是在[S]平面上由開環零極點確定閉環極點，將系統的某一參數與閉環傳遞函數特征根的關系描述在一張圖上。由于可以利用計算機進行作圖，簡單實用，所以廣泛地應用在控制工程中，并成為經典控制理論的基本分析方法之一。掌握了前面控制系統幾種基本方法后，就可以對控制系統進行定性分析和定量計算。第8章是控制系統的校正，通過這一章，學生能學會如何根據系統預先給定的性能指標，去設計一個能滿足性能要求的控制系統。

鑒于這門課程的實際學時數，第7章根軌跡法和第8章控制系統的校正只作簡要介紹，要求學生對這兩章有個初步了解，對“控制工程基礎”這門課程具有系統認識。其他章節都分配相應學時重點深入地教學，借助多媒體現代教學手段來解決內容多學時少的矛盾，利用課堂教學和課下輔導的方式提高教學效果，解決“課程難學”的問題。

2.教學思路的更新

從“控制工程基礎”課程體系和內容的系統性出發，從整體上把握課程的教學脈絡，使學生對這門課程形成整體的構架，對知識融會貫通。（1）突出基本概念和基本理論。在“控制工程基礎”這門課程中，每一章都提出了一些基本概念，這些基本概念之間又相互關聯，串聯起來就形成了本課程的知識要點，進而形成系統理論，必然是學習理解的重點。對基本概念和基本理論的思考和掌握，有助于學生養成科學的思維習慣，提高其分析問題和解決問題能力。在講授過程中除讓學生對課程中概念本身的內涵與外延認真理解外，還要讓其注意體會每個概念在整個課程理論體系中的作用。因此，針對學生在學習基本概念和基本理論過程中出現的問題，分析原因并提出相應的解決辦法，以實現本課程的教學目的。

（2）建立不同分析方法之間的相互聯系。對于一個控制系統，穩定性、準確性、快速性是基本要求。其中穩定性是首要條件，它是系統性能的重要指標，貫穿了時域分析和頻域分析方法的始終，也是系統綜合設計和校正要滿足的性能要求。在課程的教學中，以穩定性、準確性、快速性為主線，建立各種系統分析與設計方法之間的聯系，有助于對課程內容的理解和掌握，理清各章節之間的邏輯關系。先通過具體實例，例如以機床運動控制系統為例，來說明對于一個控制系統的分析和設計。首先，必須掌握自動控制系統的基本概念，建立系統的數學模型，才能進行理論分析。而最基本的數學模型是微分方程，但高次微分方程求解較為復雜，需將微分方程轉化為代數方程，這就需要進行拉普拉斯變換，大大簡化了求解過程，進而得到系統的傳遞函數。然后，在傳遞函數基礎上，對系統進行分析。常用的分析方法有：時域分析法、頻域分析法、根軌跡分析法以及相應的性能指標。這樣，一方面，有了系統的性能指標，就能夠對系統的穩定性和準確性進行分析判斷；另一方面，也可以根據給定要求的性能指標，得到理想的控制系統，從而對原有的控制系統進行綜合和校正。這樣抓住了穩、準、快這條主線，就理清了各章節之間的邏輯關系，該課程的內容就能夠順利地銜接起來。例如對于穩定性的問題，就可以從多個方面、多個角度來分析判斷，可以求解微分方程，可以求閉環特征根，可以用根軌跡法，可以用勞斯判據，可以用奈奎斯特判據等方法，這樣自然對這門課程的系統性有了明確認識。

3.教學手段的改進

“控制工程基礎”課程是機械工程及其自動化大專業各專業方向都必修的專業基礎課，具有較強的理論性和實踐性，涉及的知識面寬，包含的信息量大，內容又比較抽象。由于課程內容多課時少，另外，機械類學生工程數學知識以及相關學科的知識欠缺，必須改革教學手段，充分利用現代化教學工具，利用計算機仿真來輔助教學，才能實現高效的課堂教學，使學生收獲更多知識。針對不同的專業方向，如，制造和設計、機電和物流、輸電工程專業方向，采用分班教學，聯系本專業方向的實際應用，將教學內容進行調整。同時，采用計算機多媒體輔助教學與傳統的教學模式相結合，在有限的課時內增加了信息量，使枯燥、抽象的理論變得形象和具體。教學中還引入了軟件Matlab/simulink，開闊學生的視野。例如時域響應曲線、頻域的幅相曲線及對數幅相曲線的繪制，為了提高課堂效果，達到師生互動，教師首先在黑板上畫出大致曲線，幫助學生理解，然后利用多媒體，用編好的程序或建立的仿真模型，在屏幕上精確地繪出相應的曲線，并改變系統的參數，再次繪圖顯示，讓學生進行分析比較，得出結論。這樣提高了學生的學習興趣，激發了他們的求知欲，大大提高了教學效果。

4.加強實踐環節

注重實踐教學環節，加強控制理論的工程應用。“控制工程基礎”課程的理論性強，在理論講述中，學生未免感覺“空、虛”，因此在教學過程中，要注重實際，結合具體生活和工業生產實例，使學生的學習目標明確，知道控制系統在生產生活中的應用無處不在。這樣學生不僅提高了學習興趣，也更深刻地理解了理論知識。同樣，該課程的應用性也很強，必須利用實踐環節將理論應用到實踐中。課程設置了時域和頻域的相應實驗，一方面，利用自動控制實驗箱，讓學生搭建典型環節和典型系統，輸入不同的典型信號，通過示波器觀察系統的響應曲線。另一方面，將實驗曲線和Matlab/simulink軟件仿真出來的理想波形進行對比，分析實驗結果，得出結論。在課程教學的同時，注重加強對學生綜合實踐能力的培養，利用開放的實驗室，充分發揮學生的主動性，讓學生設計完成自動控制系統的相關課題，還結合Matlab/simulink軟件進行控制系統的仿真，使學生感到課程的“真、實”，提高了他們綜合分析問題解決問題的能力，做到學有所用，為他們的專業學習以及將來工作打下堅實的基礎。

二、結束語

隨著科學的飛速發展，學科之間日益相互滲透和交叉，非電類學生的自動控制基礎知識和基本技能的訓練更需要加強，“控制工程基礎”課程地位更顯得重要，因此必須及時總結改進，不斷更新教育觀念，提高教學質量，才能更好地促進學科發展，培養具有創新能力的高素質人才。

作者：張紅蓮單位：華北電力大學機械工程系