面向卓越工程师培养的自动控制原理教材现状和,本文是自动控制有关在职开题报告范文与卓越和自动控制原理和创新思考相关论文范本.
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[摘 要] 传统“自动控制原理”教材的主体内容相似,难以与卓越工程师培养计划要求相匹配,且创新实践目标与抽象理论课程相矛盾.以卓越工程师计划培养为目标,对“自动控制原理”课程教材建设进行创新,并以一台机床导轨伺服控制系统平台项目作为实例贯穿每一章节,为提升学生理论分析能力、工程应用能力,培养学生创新能力打下坚实基础.
[关键词] 自动控制原理；卓越工程师；教材建设；机床导轨伺服控制
[中图分类号] G642.3
[文献标志码]A
[文章编号] 1674 - 6120( 2018)11 - 0094 - 04
国家教育部2010年提出的“卓越工程师教育培养计划”（简称“卓越工程师计划”）改革项目,旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量工程技术人才,为建设创新型国家和人才强国战略服务.‘小‘卓越工程师计划”要求高校加强学生的工程实践及实训课程,以强化学生的工程实践能力、工程设计能力与工程创新能力.为达成这个目标,完善课程教学体系,细化知识能力大纲,将知识能力大纲落实到具体的课程和教学环节中,加快教材建设显得尤为重要.自动控制原理作为自动化、电气自动化、机械工程及其自动化等专业的专业基础课程,是通往专业课程学习的入门基石,它的重要地位决定了对本门课程的改革应首当其冲.与此相适应,研究和编写一本能够适应“卓越工程师计划”课程体系改革的自动控制原理教材迫在眉睫.
一、自动控制原理教材现状
(一)原有教材主体内容现状
自动控制原理是控制类相关专业学生的专业基础课程,具有涵盖的课程内容多、理论性强、知识点分散等特点.原有的自动控制原理教材是国内高校在20世纪初、中期形成的经典控制理论以及现代控制理论体系.自其理论体系建立以来,各高校都是以系统原理及性能分析、系统设计方法的讲解作为主要的授课内容.原有自动控制原理国内教材主要包括绪论、控制系统数学模型、时域分析法、根轨迹分析法、频域分析法、系统校正设计、离散控制理论、状态空间设计法以及非线性设计方法等内容.部分教材在离散控制理论、状态空间设计法及非线性设计方法章节中有所取舍.
(二)现有教材难以与卓越工程师培养计划要求相匹配
各高校目前选用的自动控制原理课程教材种类繁多,但大体都重理论轻实践.因教材强调理论推导与结论,很少有真正意义的与实践相结合的实例,致使很多学生在进行实际工程应用时不知道如何应用所学理论来解决实际工程问题.尽管有的教材依据各章节的内容选取了很多实例,但各实例之间基本上没有关联,仅对应于讲授的知识点,很少有一个能贯通全部理论知识的实例.学生在学习完各章节以后,很难将全书各章节的内容进行融会贯通,导致控制理论知识的学习都是碎片化学习,不利于学生用系统的观点对知识进行整体把握.此外,随着计算机的大力发展,自动控制系统的分析设计有了大型的计算机仿真软件MATLAB作为辅助工具,大多数自动控制原理教材也在各章末节引入MATLAB的基本语句及简单实例进行介绍,但极少将MATLAB与实际实例项目相结合,不利于学生系统化地对本仿真软件进行灵活运用.
“卓越工程师计划”要求根据通用标准和行业标准构建课程体系和教学内容,按照工程问题、工程案例和工程项目组织教学内容.因而以项目或综合工程实践案例来串联各知识点,使自动控制原理真正成为用于指导工程实践问题的理论基石,是本课程教材改革要考虑的重要环节.
(三)创新实践目标与抽象理论课程相矛盾
传统自动控制原理教材的示例大多较抽象,旨在为所涉及的理论知识服务,分散、单一为其特点,较少有与整体工程实际紧密联系的实例.这不仅影响了本课程的学习效果,也不利于后续课程（实习）的学习.很多学生在学习完本课程以后仅仅能理解每章节的知识点是什么,习题应该怎么做,很难理解这类理论课程有何用途,用在哪里,如何应用,更谈不上灵活利用所学知识进行创新实践活动.
“卓越工程师计划”着重强调培养学生的创新思维能力,包括能有效提高学生的工程实践能力、工程设计能力和工程创新能力,要求培养出来的学生不仅能够分析问题、解决问题,而且能够将设想和概念转化为实实在在的现实.这就要求对应的教材应该具有工程实践、项目集成与科学创新的特征.而自动控制原理课程自开设以来在学生眼里一直是一门较为抽象的理论课程.如何做到将理论知识融入到实际应用中,在学习过程中培养学生的创新工程实践能力,需要在教材的编排与内容上持续改进,确保学生在学习过程中能逐步形成相应的工程能力,并得到有效的训练及提升.而现有教材的工程实践性不强,教材结构中创新思维与能力培养偏弱,与“卓越工程师计划”培养目标不相符合,不利于创新型人才的培养.
一、自动控制原理创新教材思考
本课题组针对卓越工程师培养改革要求编写并正式出版了《自动控制原理》创新教材,并对创新教材进行思考.
(一)创新教材应有特点
自动控制原理创新教材突出教学内容的系统性、实践性、融合性,同时兼顾其理论性的特点.
1．系统性.自动控制原理本质上还是控制类专业的入门基础课,这决定了它理论性很强的特点；同时作为一门系统化课程,它的内容多,涉及的方法和知识点广.因此,在内容安排上,创新教材仍包括经典、现代控制及非线性控制的全部内容,但对内容加以精选,对于理论性强而实用性弱的知识应有所删选.如状态空间分析方法的状态观测器,仅就全维状态观测器进行讨论,而对于更多的观测器的设计方法及思路不做过多涉及；又如非线性控制,仅简单介绍常见的非线性特性及其特点,相平面方法及描述函数法的基本概念、思路及分析方法,而对其具体的设计分析不做讨论,让学生能理解其基本概念和基本原理,能用于指导实践,而无需深入探讨其复杂的特性对不同建模系统的影响.这是从应用型人才培养出发,所做的一个内容上的删减.
2．实践性.“卓越工程师计划”旨在培养应用型、创新型人才.为此,我们提出理论学习要让学生与能观察、能操作的实例相联系,创新性地自主研发制作了一台机床导轨位置定位闭环控制系统,与实践结合紧密.创新教材从系统建模开始,以经典控制理论及现代控制理论所包含的方法,即时域分析、根轨迹分析、频率域分析、系统校正、离散控制分析等方法进行讲解,一步一步地以实例的形式揭开这台控制系统是如何工作的“面纱”,让学生循序渐进,真正做到边学边分析、边分析边理解,理论与实践相结合,为培养创新型应用人才打下夯实的基础.
3．融合性.创新教材改革要重视知识的融会贯通.大多数自动控制原理教材是以独立章节进行讲解,本教材采用系统校正方法,在规划中将常见的时间域校正、根轨迹校正和频域校正方法分别在时域分析、根轨迹分析及频域分析的章节中加以讨论,与该章节知识结合更为紧密,对于学生学习而言更呈现一体化,容易吸收.此外,教材根据实用性原则,将所有的MATLAB计算机仿真知识融入到各章节各知识点中,做到一边理论学习一边计算机仿真学习；同时搭建的机床导轨伺服控制系统配合MATLAB程序语言介绍,实现各种控制方法的编程、Simulink建模,显示仿真结果以及进行性能分析,让学生能全方位地理解所学知识.
(二)创新教材基本要求
自动控制理论是人类长期实践应用的成果.从瓦特的转速控制蒸汽机开始,人类掀起了工业革命的浪潮,也开启了自动控制理论研究的序幕.之后每一套理论方法的建立、发展、应用都离不开人类实践的需求.因此,创新教材基本要求要有利于学生在学习中立足实践、服务实践,才能最大程度地体现本门课程学习的价值.其中案例式教学与探究式教学在卓越工程师培养中显得尤其重要,与之配套的教材在这方面应有所体现.创新教材选用以实践为基础的教学实例,既可以验证理论的正确性与可行性,凸显其工程背景,又可以对学生进行启发式的教育,帮助学生自主地、科学地解决难题.
在每一个重要的知识点上,除了常规实例分析,创新教材也在各章节始终贯穿以机床导轨伺服控制系统作为工程项目实例,以提升学生的理解力.首先介绍机床导轨定位控制系统由哪些部件组成,如何有机地构造成一个自动控制系统,它有怎样的性能,如何进行设计的？然后以例题的方式对其进行数学建模、时间响应分析、根轨迹分析、频率响应分析、频率校正其性能、计算机控制分析等,在每章各节铺展开,让学生在学习自动控制理论知识的同时,一步一步地了解自动控制理论的方法及其解决实际问题的思路,从而加强学生在学习过程中提出问题、分析问题、解决问题的能力,快速地将理论学习与实践应用结合起来,真正为培养“卓越工程师”打下扎实的基础.
(三)系统开发配套实验教材
根据“卓越工程师计划”的培养要求,自动控制原理课程的学习除了要求学生系统地掌握控制理论方法,更重要的是要让学生逐步学会自行搭建系统,并能根据所学理论对系统进行工程设计及分析.本教材配套开发研究的机床导轨伺服控制系统本身就是一个实验平台,在教材上每一章节根据相应的控制理论知识对本系统进行分解,让学生从理论上了解这个闭环控制系统从建模到理论分析到系统设计的知识.学生通过在实验平台上建立系统模型、观测系统输入输出响应、用不同的理论方法分析系统性能、进行系统校正设计等内容,一步一步地掌握经典和现代控制理论中各个分析设计方法.与教材配套的实验教材指导册将罗列这个实验平台所包含的所有元件及元件参数,方便学生对系统进行定量的分析及实验操作.通过这个实验,让学生感觉所学的理论知识不再空泛,真正理解控制理论是怎么为工程实践服务的.这种以整体项目的形式构建的操作实验在目前国内的自动控制原理实验课程中属于创新实验内容,符合“卓越工程师计划”中工程实践能力、工程设计能力和工程创新能力的培养要求.
在系统仿真实验部分,MAffAB作为目前控制理论领域最实用的仿真软件,已经被各高校的教材广泛采纳使用并作为实验课程的重要内容之一.MATLAB仿真认识系统、分析系统可作为学生实验的主体内容.为此,本教材使用基于MATLAB的辅助分析方法贯穿各章节,开展理论及方法的研究,分析系统并给出仿真结果,全面提高学生定性分析、定量计算、综合应用以及绘图的能力.MAT-LAB因为注重自动控制理论的系统性和实用性,能有效增强教学效果,并以语言编程及Simulink模块仿真的方法让学生做到程序与图形结合仿真.由于MALIIAB程序具有极强的可扩展性,学生在掌握基本语句、模块及基本方法以后很容易根据实际需求自行编程及建模仿真,发挥自身的创新能力.同时,创新教材专门搭建的机床导轨伺服控制平台所对应的MATLAB仿真学习,也贯穿到各章节的学习中.使用语句编程及Simulink模块,仿真分析系统的模型、响应及各项性能分析,系统地为学生演示一个实际大型项目从问题提出到问题解决是如何用仿真来实现的,真正起到理论引导实践、实践推动理论的作用.
(四)创新教材服务于创新能力培养
在逐步了解机床导轨伺服控制系统实验平台的控制理论知识之后,依托本实验平台,通过后续课程的学习,学生可通过自主编程以实现不同的方法控制,这是特色之一.同时,本实验平台可进行包括基本实验教学、项目教学、系统仿真和科技兴趣活动等创新活动,让学生应用已有的知识建立问题、解决问题,为学生提供更多自主思考和探索的空间,有利于学生创新活动的开展、创新思维的培养.此外,本实验平台还可作为教师科学研究的开发平台,开发课程设计、课外创新设计的平台,大大丰富了理论与实际的联系,增强了对学生动手能力的培养.
三、结语
自动控制原理课程教材创新是系统工程,通过对教材创新所涉及内容的课程学习,学生能够掌握控制理论的基础知识,追踪自动控制领域的科技前沿,开发创新型思维,真正做到理论联系实践,初步学会系统工程问题的分析与设计,为培养卓越工程师打下扎实的基础.同时,自动控制原理课程教材创新也要随现代高科技而不断发展,因为本教材创新主要针对卓越工程师的应用型本科人才培养,所以在非线性理论以及新型先进控制理论的内容安排上比较浅显或是并未涉及.随着科技的进步和人工智能技术的快速发展,所涉及的控理论也可能在将来引入到自动控制原理课程的学习中来,这也是本教材创新未来可能需要改进的地方.
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