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课程简介 教师队伍  

■ 课程简介
课程名称: 自动控制原理 一级学科:  01 哲学
二级学科: 0101 哲学类 教学层次:  高职高专
负责教师: 陆锦军 学校名称:  南通职业大学
院系名称:   申报状态:  已获奖
申报级别: 国家级 申报文件下载:  无下载文件
获奖名称: 获奖年度:  2006
主页地址: http://site.ntvc.edu.cn/js/jpkc/zkyl 是否交换: 
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课程介绍:

结合本校的办学定位、人才培养目标和生源情况,说明本课程在专业培养目标中的定位与课程目标
我校是一所高职高专院校,培养适合市场需求的技术应用型人才,课程组针对我校生源数学基础相对薄弱的特点,明确提出“优化基础,淡化计算,强化实践,开放实验”的教学改革指导思想,根据实际自动控制工程所需的知识点对自动控制原理课程体系进行改革,以实现将专业基础课程融入专业课程,为专业课程服务的目标。
优化基础,淡化计算”,即强化该课程为专业课程服务的理念,根据高职高专电类专业实际控制工程需求构建课程的知识模块体系,同时以人为本,根据高职高专学生的基础状况优化模块内容,适度引入学科新成果,根据实际控制工程需求和后续专业课程调整和控制本课程的知识点和知识深度。以培养学生能力为本,抛弃繁琐的数学计算,运用先进的计算机仿真技术。
强化实践,开放实验”,即以培养高职高专学生实践技能为本,面向学生全面开放虚实结合的基础性实验、设计性实验和综合性实验,充分利用网络资源,实现“把实验带回宿舍,把课堂带回宿舍”的辅助教学模式,着力提高学生的创新能力和综合能力,有效地培养了学生独立分析问题、解决问题的能力。
4-2-2知识模块顺序及对应的学时
课程组根据实际控制工程需求构建了新的“自动控制原理”课程体系,确立以系统建摸、系统分析、系统校正为课程的主线,构建由MATLAB、系统建模、时域分析、根轨迹分析、频域分析、非线性系统分析和采样系统、PID调节规律等八个基本案例分析模块构成的课程知识体系,在整个教学过程中,均采用实际工程案例分析法,将我校参加全国电子设计大赛并获得一等奖的参赛项目滴流瓶自动控制系统、MATLAB语言、计算机仿真贯穿于三大分析方法之中,把自动控制、计算机技术、自动控制工程和传感器技术有机地融为一体,使学生对控制系统的组成、分析、设计、综合等各个环节及系统概念有全面的认识和理解。除此之外,我们还进一步强化了实践环节,通过基础性实验、设计性实验和综合性实验,全面培养学生的实践能力和创新能力。充分利用网络资源,实现“把实验带回宿舍,把课堂带回宿舍”的辅助教学模式,使学生从繁琐的数值计算中解放出来,着重培养学生独立分析问题和解决问题的能力。教学内容安排实现理论联系实际,融知识传授、能力培养、素质教育于一体。
表1 自动控制原理知识模块表

理论模块内容
理论学时
实验模块内容
实验学时
备注
MATLAB编程案例
4
MATLAB实验
2
基础实验
控制系统建模案例分析
6
典型环节及二阶系统的暂态过程分析
2
基础实验
系统时域分析法案例分析
10
线性系统频率特性的测试
2
基础实验
系统根轨迹分析法案例分析
8
控制系统的动态校正
2
设计实验
系统频域分析法案例分析
14
非线性系统分析
2
设计实验
系统校正及PID案例分析
10
采样系统研究
2
设计实验
系统非线性系统案例分析
6
PID控制器的动态特性
2
设计实验
系统采样系统案例分析
10
小功率直流随动系统研究
2
综合实验
?
调速系统的设计
4
综合实验
?
?
倒立摆系统综合实验
4
综合实验
总学时
68
?
24
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4-2-3课程的重点、难点及解决办法
本课程的主要内容是时域分析法、根轨迹分析法和频域分析法。各知识模块的重点分别为:1.数学模型的建立与求解模块:动态微分方程的建立,传递函数求解,系统动态结构图变换,信号流图;2.线性连续系统的时域分析模块:自动控制系统的暂态过程分析,自动控制系统的稳定性判断(代数稳定判据),稳态误差求解;3.根轨迹分析模块:根轨迹的绘制,用根轨迹法分析系统的性能;4.线性连续系统的频域分析与设计模块:频率特性的绘制,频率特性与系统时域指标之间的关系,频域指标,控制系统的校正及综合;5.非线性系统分析模块:非线性系统动态过程的特点,描述函数法,改善非线性系统性能的措施及非线性特性的利用,相平面法;6.线性采样系统模块: 离散时间函数的数学表达式及采样定理,线性常系数差分方程与脉冲传递函数,采样控制系统的时域分析,采样控制系统的频域分析。
课程难点及其解决办法
优化课程内容体系是化解教学难点的重要措施,我们的做法是:贯彻“优化基础,淡化计算,强化实践,开放实验”的教学改革指导思想,树立专业基础课为专业服务、以学生为本的理念,对课程的各章节进行独立化模型化处理,使其贴近学生,也便于将其拆解重组。以具体工程实例为出发点,讲清每一个基本概念,让抽象概念现实化,讲解分析方法,使学生感到自动控制原理不再是一门纯理论的课程,而是一门工程实践课程,减少对这门课程的恐惧感,增加对这门课的兴趣,淡化具体的计算过程,将MATLAB语言应用于本课程的教学中,使得课程中一些繁琐的数学推导和计算得以解决,同时通过仿真,使学生感到本课程简单易学。具体难点及其解决方法如下:
难点1:为什么用频域法分析系统。用时域法分析系统的性能指标,概念上比较直观,学生容易接受,因为其变量是时间的函数。而用频域法分析系统时,其变量为频率ω,当ω从-∞→∞变化时,其频率指标为何能反映出系统的性能指标,这是学生难以理解和接受的。解决办法:首先说明在时域分析时输入信号多为1(t)、δ(t)等标准的典型函数,求出系统对这些函数的输出响应,就能表示系统的各项品质。其次说明1(t)、δ(t)等函数均可通过富氏级数展开成一系列正弦函数。这相当于系统的输入量为不同幅值、不同频率的正弦函数同时作用到系统上,然后按照线性系统的叠加原理求出其输出量。最后通过非周期函数的频谱分析,将1(t)、δ(t)等函数进行富氏级数展开。从而说明频率分析法也是间接地用不同幅值、不同频率的正弦函数作为输入量去分析系统。再通过频率法中系统的时域响应和频域响应的相互对照,进一步说明用频域法分析系统是可行的。难点2:用根轨迹法设计系统。其难点在于系统零、极点在s平面分布对系统输出响应的影响和根轨迹的准确画法。解决办法:首先在一、二阶系统的时域分析时就引出极点在s平面的分布对系统性能指标的影响,这给用极点配置设计系统打下了一定的基础。其次在根轨迹一章里也特别强调零、极点在s平面的分布对系统响应的影响,最后可以用MATLAB画出准确的根轨迹。这样就可以用根轨迹方法设计系统了。难点3:用波德图设计系统。难点在于不同系统所要求的期望波德图是不同的,而被控对象的波德图是一定的。这样,确定校正环节的波德图就有一定难度,而且结果是不唯一的。解决办法:首先讲清时域和频域指标之间的关系,给出时域指标之后就能确定出相应的波德图,画出被控对象和期望的波德图,就可以按照不同的校正方法(串联、反馈、前馈等)和原则,求出校正环节的传递函数。其中频率特性形状对频域指标的影响是分析和设计的基础,因为用频率法设计系统的实质就是通过改变频率特性形状来改善系统的性能指标,使之满足要求的。难点4:香农采样定理的物理意义解决办法:首先讲清楚实际连续信号的离散化,其次讲信号的复现,从而引出采样定理,最后用图形说明香农采样定理的物理意义,侧重说明采样周期对采样系统性能指标的影响。
4-2-4实践教学的设计思想与效果(不含实践教学内容的课程不填)
《自动控制原理》课程实验内容丰富,覆盖的知识面广,有难度较小的基础验证性实验,有难度较大的设计性实验,还有适合做课程设计的综合性实验。其中基础性实验共3项6学时,设计性实验共4项8学时,综合性实验共3项10学时,为了提高学生的实践技能,我们强化了综合性实验,综合性实验、设计性实验和基础性实验学时比例为10:8:6,实验方式有模拟实验、仿真实验、实际系统实验,还有目前控制界最流行的LabVIEW虚拟仪器实验、MATLAB应用实验。我们自主研发了虚拟仪器,2003年完成了市级科研项目《微机化自控实验装置的研制》;2004年《自动控制原理虚拟实验装置的研究》获江苏省高校自然科学研究计划项目,并且获得了专项资助经费。将最新的科技成果用于本课程实验,建立了以计算机虚拟仪器为结构的自动控制原理专用实验室和开放实验室
设计性实验室和综合性实验室面向学生全面开放,实验室教师随时为学生进行指导。同时将实验指导、实验内容、实验演示放置于网络平台,使学生与学生之间、学生与教师之间可以互相交流。在开放实验室,倡导研究性学习;在对美国一些著名高校的教学方法进行研究的基础上,引入工程项目的管理理念,让学生在确定目标的同时,独立思考,制定实验计划和实验手段,最后以项目验收的形式进行总结和陈述。这种方法可以大大激发学生的学习积极性创新意识,培养学生的团队精神和自我表达能力,进一步提高学生的综合素质
? 通过本课程设置的课程实验和开放性实验,学生们不仅顺利地完成了《自动控制原理》课程的学习,而且对后续课程的学习打下了坚实的基础,同时激发了同学们对自动化等专业浓厚的兴趣,运用所学理论解决实际问题的能力和实际动手能力得到了锻炼和提高。其效果已经在后续的课程学习和科技活动中显现出来:在连续两届全国高校电子设计大赛中,我校学生参赛制作的滴流瓶自动控制系统(用于改变点滴速度,并带有通讯和显示)和恒流源自动控制装置,均获国家一等奖。
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4-3教学条件(含教材使用与建设;促进学生主动学习的扩充性资料使用情况;配套实验教材的教学效果;实践性教学环境;网络教学环境)
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本课程有完整的理论教学大纲和实验教学大纲。理论教材采用该课程主持人主编的21世纪高职高专教材《自动控制原理》(上海交通大学出版社出版),我校资深教授朱克定老师主审的国防工业出版社出版的《自动控制原理》(国防工业出版社出版)作为教学参考书,并且根据学科发展和需要,及时把MATLAB语言及其应用作为教学补充内容,编印了教学补充讲义。在教学过程中,教师结合自己的科研课题及时地把本专业发展的新动向,新技术介绍给学生。实验教材采用该课程理论主讲教师和实验指导老师联合编写的教材,根据该教材,学生可以完成基础性实验、设计性实验以及综合性实验。理论教学和实验教学均开发了该课程的相应课件以配合学生主动自学和课后复习。建立了自动控制原理课程教学网站,所有课件均放置于专用服务器,学生可以随时上网浏览,同学之间可以在网络上互相交流、讨论,教师也可在网络上实时解答学生的提问,充分利用了网上资源,提高了教学效率。
该课程有专用实验室,并配备了足够数量的实验仪器。课程实验内容丰富,覆盖的知识面广,有难度较小的基础验证性实验,有难度较大的设计性实验,还有课程设计性质的综合性实验。另外,为了激发学生自主学习的热情,培养学生的实践能力和创新能力,通过省级、市级立项获得专项实验室建设经费,2003年完成了市级科研项目《微机化自控实验装置的研制》;2004年《自动控制原理虚拟实验装置的研究》获江苏省高校自然科学研究计划项目,并且获得了专项资助经费。自主研发了具有国内领先水平的自动控制原理课程的虚拟仪器专用实验室和开放实验室,全天候面向学生开放,并有专职教师进行实验指导。实验实训环境和条件得到显著改善,居全国同类高校领先地位。
在开放实验室,实验装置采用挂件组合结构,学生可以根据不同的实验目的选用不同的控制系统进行自由组合,从而充分发挥学生的创造能力,提高学生分析问题、解决问题的能力,进一步加深对《自动控制原理》课程的认识和理解。
校内外有该课程的专用实习、实训基地,聘请业务素质好,实际操作能力强的具有中高级职称的工程师担任兼职实训指导教师。
总之,该课程不仅积累了一套完整的理论教学资料,而且创造了在数量上足够,质量上比较高的实验、实训的硬件设施、配套软件以及网络教学环境,从而从根本上确保了该课程的教学条件。
通过本课程设置的课程实验和开放性实验,学生们不仅顺利地完成了《自动控制原理》课程的学习,而且对后续课程的学习打下了坚实的基础,同时激发了同学们对自动化等专业浓厚的兴趣,运用所学理论解决实际问题的能力和实际动手能力得到了锻炼和提高。其效果已经在后续的课程学习和科技活动中显现出来:在连续两届全国高校电子设计大赛中,我校学生参赛制作的滴流瓶自动控制系统(用于改变点滴速度,并带有通讯和显示)和恒流源自动控制装置,均获国家一等奖。
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4-4教学方法与教学手段(含多种教学方法灵活使用的形式与目的;教育技术应用与教学改革)
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自动控制原理对于高职高专学生来说,因为许多数学公式的抽象性往往成为他们的学习障碍。我们在设计教学方法时,按照“淡化计算,注重应用”的原则,力求找准高职学生的思维节奏,多角度全方位的建立自动控制原理的思维模式。
一、在理论教学中,以增加学生可接受度为目标,改革传统的讲授方法,比较典型的方法有:1、感性化的基本概念。在介绍基本概念时,均不以严格“定义”的形式出现,而是通过实际控制系统直观感性的描述,辅以各种背景材料,顺势引入,减少基本概念的抽象感。例如:在讲述“稳定性分类”概念的时候,以圆锥体锥尖向上、锥尖向下、锥尖向右摆放,顺势引入稳定、不稳定、临界稳定概念。2、抽象基本原理的形象化描述。尊重学生的习惯性和情理性思维,对基本原理注重用形象生动、通俗易懂的语言去演绎。例如:在讲解“PID校正”微分作用时我们用“根据偏差的变化趋势进行调节,把偏差消除在萌芽状态”这种通俗易懂的语言去描述。3、典型案例层次讲学。对于基本概念,基本原理等内容,注重从典型的工程案例中引出,结合实验和任课教师自己的科研项目、参赛项目讲解内容,向学生提供解决实际问题的方法,逐步地建立模型、落实算法,引导学生思考得出相关的结论,让学生有一种“水到渠成”之感,这样一方面使学生加深对理论知识的理解,另一方面使学生获得了解决问题的思维途径。例如:在讲述劳斯稳定判据、胡尔维兹稳定判据时,我们结合自己的最新研究的基于控制理论的主动队列RED稳态分析,首先将希望队列长度和扰动作为系统地共同输入,瞬时队列作为系统输出,构建了单位反馈RED主动队列控制系统的数学模型;然后基于该系统模型的特征方程,依据稳定判据计算出系统的稳定条件;最后分析系统结构参数对稳态性能的影响。如此,不仅增加了学生对本课程的兴趣,而且提高了学生实际分析问题和解决问题的能力。
二、引入MATLAB语言,对于繁琐的公式和数学推导,采用简单易学的MATLAB语言进行编程,使自动控制原理中的一些数学推导化繁为简,让学生感到自动控制原理这门课程简单易学。例如:在讲解二阶和高阶系统瞬态响应性能这一章节内容时,我们利用MATLAB语言编程,仿真出高阶系统及其等效简化系统的响应性能曲线,让学生比较两种响应曲线,非常容易判断等效是否有效,起到事半功倍的教学效果
三、实践教学方法的改革。我们自主研发具有先进水平的自动控制原理课程的虚拟实验仪器,建立了专用实验室和开放实验室,全天候面向学生开放,有专职实验室教师进行指导,实验装置采用挂件组合结构,配备了足够多的实验元器件设备,学生可以根据不同的实验目的选用不同的控制系统进行自由组合,并通过实验加以验证。例如我校学生在连续两届参加全国大学生电子设计大赛中,参赛的滴流瓶自动控制系统(用于改变点滴速度,并带有通讯和显示)和恒流源自动控制装置就是在这个开放实验室设计制作完成的,并且均获国家一等奖。如此的开放实验既激发了学生自主学习的积极性,又培养了学生的实践能力和创新能力。
四、教学手段的更新。该课程在教学实践中实现了从传统教学到大屏幕投影配合教学再到网络辅助教学的转变。课堂教学中应用多媒体课件,并且提高多媒体的教学效果,在多媒体教室上课,往往学生的注意力被大屏幕吸引,但我们注意与学生的沟通,适时让学生的注意力从大屏幕转向教师,通过提问或适当的板书引起同学的思考和讨论,并给同学留出记笔记的时间。对于逻辑推导、证明等需要学生在过程中思考的内容我们采用“计算机+大屏幕投影”与“粉笔+黑板”复合教学模式,而对于一些在黑板上难以表现的内容,我们采用多媒体技术进行动态演示。建立了自动控制原理网站,网上有本课程的全部资料,包括授课教案、习题指导、疑问解答等鼓励学生上网查询。学生未能在课堂上解决的问题,网上都能查阅到。对于一些有意深入思考的优秀学生,通过网上互动论坛,更是受益非浅。把“学生把课堂搬回宿舍,教师把课堂搬回家庭”的教学模式作为课堂教学的补充。
五、充分应用启发式教学来调动学生课堂教学的参与性。由于自动控制原理课程的理论性和抽象性,我们在教学中充分发挥学生的主观能动性,让学生自觉地获取知识,适当采用提问回答法讨论法等启发式教学方法,提高学生的参与意识,调动学生学习积极性,激发学生的求知欲望,给学生思考、联想、创新的启迪。例如在引入传递函数这个概念时,我们先总结上一讲建立系统微分方程模型的方法,提问:对于一阶微分方程求解是比较容易的,然而如果系统模型是高阶微分方程,那么它的求解就比较困难,再提问:有什么方法把微分方程变成代数方程(答案是拉氏变换),再提问:控制系统与控制元件有什么关系(答案是控制系统是由许多控制元件有机组成的),陈述:把每一个元件的输出变量的拉氏变换与输入变量拉氏变换之比得到的表达式,按照信号的传递方向依次相联,即可得到有关系统输出变量拉氏变换与输入变量拉氏变换之比的函数。给出传递函数定义:在零初始条件下,线性定常系统(或环节)输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变量式之比,再提问:从这个定义中能读出什么信息(答案是1、线性定常系统;2、零初始条件;3、输出量拉氏变换与输入量拉氏变换之比)。如此一步一步地把学生引向活跃思维的境地,从而取得优秀的课堂教学效果。
六、突出重点,重视难点。教学实践中,对重点内容及重要的基本概念多花点时间来讲解,力求讲透,并且适时宜地加以回顾,以使学生对重点部分经常保持清晰的印象。例如,在讲解系统结构参数对系统稳定性的影响这一章节时,先回顾相关重要概念,如系统稳定性定义、稳定的充要条件、稳定判判据等,从而让学生进一步加深对有关稳定性分析这一章节重要基本概念的理解。对一些难点,注意逻辑性,以一条清晰的思路来引导学生,注重前后知识的连贯性,用前面的知识点为后面难点的化解作铺垫,如课程难点之一:用根轨迹法设计系统,其难点在于系统零、极点在s平面分布对系统输出响应的影响和根轨迹的准确画法。为解决这一问题,我们在前面章节讨论一、二阶系统的时域分析时就引出极点在s平面的分布对系统性能指标的影响,这给用极点配置设计系统打下了一定的基础。其次在根轨迹这一章里也特别强调零、极点在s平面的分布对系统响应的影响,最后可以用MATLAB画出准确的根轨迹,这样就可以用根轨迹方法设计系统了。
七、在教学实践中适当应用“双语教学”。一方面采用部分英语课件,提供给学生本课程的外语参考文献,另一方面在课堂上适时引用该课程的英语关键词。这样既提高了学生的外语水平,又提高了学生的学习兴趣。

八、对于作业和考试我们也采取了改革措施。每堂理论课均有作业,每次实验不仅要有实验数据结果而且要有实验过程提交作业,课程设计均以实物提交作业,实物以外的作业均以电子文档在网上提交。每次作业均有成绩记载,作为课程考核的成绩依据之一(理论作业占20%)。由于这门课的数学公式比较多,高职高专学生对于大量的数学公式总是心有余悸,为此我们在考试之前发动学生投票评选出最不容易记忆的5~10个公式,把评选出的公式印在试卷上供学生查用。学生有了这个发言权,学习热情提高了。评选之前就必须对学过的公式与相关的知识进行梳理和比对,起到了复习巩固的作用,同时减少了死记硬背的成分,取得了较好的效果。实验成绩考核办法实验成绩按实验学时所占课程总学时的比例,目前为20分。每次的实验成绩由3部分组成:1. 实验准备与实验数据测取实物部分占40%,由实验室教师给出; 2. 实验结果分析及思考题回答占40%,由授课教师给出; 3. 实验报告占20%,由实验室教师给出。 最终的实验成绩为各次实验成绩的平均值

九、注重学习能力培养,交给学生“点金术”。我们总结了自动控制原理这门课程的学习方法,并且印发给学生让学生在学习过程中体验。
自动控制原理是一门理论性较强的课程。作为电气信息类各专业的学科基础课,它既是基础课程向专业课程的深入,又是专业课程的理论基础,是新知识的增长点。在该课程的学习中必须注意以下要领和环节:
? (1)抓住重点——掌握基本概念
《自动控制原理》引入了一系列互相关联的基本概念,如稳定性、准确性、快速性,输入与输出,动态与稳态,反馈与前馈等,这些基本概念形成了本课程的知识要点,是学习理解的重点。要掌握好基本概念,首先应该从实践案例中的这些抽象概念的建立过程加深对其理解,建立概念与其反映事物间的联系,搞清概念与相关概念之间的联系和区别,然后再到实验实训应用中加深对其的认识。
(2)认真思考——提高抽象思维能力
《自动控制原理》的理论性较强,抽象程度较高。因此,要充分了解抽象的基础,认真掌握有关的概念,在实际应用中反复体会抽象概念的意义,如控制系统中反馈的实质,控制的基本方法等,在学习中不断提高抽象思维能力。
(3)抓住主线——建立不同方法间的联系
稳定性、准确性、快速性是对控制系统的基本要求,也是系统性能的重要指标。稳、准、快贯穿了时域分析、根轨迹分析和频域分析方法的始终,也是系统综合设计要满足的性能要求。在本课程的学习中,以稳、准、快为主线,建立各种系统分析与设计方法之间的联系,有助于对课程内容的理解和掌握。
(4)提高综合分析能力
《自动控制原理》既是专业基础理论课程,又是一门科学方法论。研究的内容既有一定的复杂性,又有一定的普遍性。因此,在学习中不仅要掌握教材中的结论,更要掌握其中体现出来的研究方法,培养系统的观念,提高综合分析问题的能力。
(5)学会自学——培养阅读能力
要善于在学习中提出问题,解决问题,学会探究式学习方法,广阅参考书,拓宽视野,从更多控制系统的实例分析中,提高分析问题和解决问题的能力。
(6)重视掌握实验技术
实验是人们认识客观世界的最重要的手段之一。认真做好实验,掌握实验技能,不仅有助于学好本课程,而且可以培养科学思维的能力和动手能力,养成良好的科学习惯。因此,在学好本课程的同时还要认真完成实验,做到先预习后实验,细致准确地观察实验过程,正确掌握各项实验技术。
(7)注重理论和实践相结合
反馈的现象比比皆是,反馈也是控制的精髓。在本课程的学习中,结合生产、生活实际,观察反馈系统的构成,将有利于对反馈的深入理解和认识,并自觉地将反馈理论应用到各种实际系统中去,学以致用。

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