摘要：针对自动控制理论教改问题，从理论教学和实践性教学角度来具体阐述理论基础、辅助分析设计、平台实验的必要性和它们之间的关系；然后从上述三个方面提出了对自动控制理论课程教学的几点思考和举措。
关键词：自动控制原理；课程设置；课程改革；实践性教学
作者简介：周林（1977-），女，河南新乡人，河南大学计算机与信息工程学院，讲师；孔庆梅（1979-），女，河南新乡人，河南大学土木与工程建筑学院，讲师。（河南 开封 475004）
中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）14-0075-01
“自动控制理论”是工科自动化类专业本科生的重要专业基础课程，可分为经典控制理论和现代控制理论两部分。随着工程的需求、计算机技术及软件的发展，传统自动控制理论课程的教学设置受到挑战。[1，2]本文将结合笔者从事自动控制理论课程教学和实验的经验和体会，阐述在新的课程改革下自动控制理论课程内容、实验教学等方面的思路和措施。
一、对自动控制理论课程的认识
自动控制理论是自动化专业具有一般方法论特点的技术基础课程。目的在于使学生掌握自动控制的基本原理和方法，并具备对自动控制系统进行分析、计算、实验和设计的初步能力，为其他专业课的学习和参加控制工程实践打好理论基础。根据控制系统的性质可以将自动控制理论分为经典控制理论和现代控制理论。
从国内各工科高校的学生培养方案和课程规划来看，自动控制理论的课程设置和教学内容有所不同。主要有两种情况：经典控制理论和现代控制理论编制在一本教材中，将进行长学时的控制理论的学习，将课程分为两部分系列课程进行教学；自动控制理论和现代控制理论分别专属于两本不同教材，先讲授经典控制理论，主要讲授SISO（单输入单输出）控制系统及系统设计辅助仿真方法，再讲授现代控制理论，主要讲授MIMO（多输入多输出）控制系统。上述两种不同的课程设置情况各有利弊。随着计算机仿真软件这一辅助工具的发展，有必要重新思考自动控制理论课程在自动化专业人才培养和课程设置中的作用和位置。
开设自动控制理论课程，其目的有如下几点。（1）经典控制理论教学任务是使学生掌握自动控制系统的基本概念和自动控制系统分析，设计（校正）的基本方法，初步掌握系统实验技能，掌握必要的基本技能。经典控制理论为现代控制理论提供所必须的系统分析、设计的基本理论和基本方法。（2）使学生在学习理论的同时学会运用仿真软件MATLAB进行控制系统辅助分析设计，为专业课的学习和进一步深造打下必要的基础。（3）为控制工程的设计和开发奠定基础。
与此相对应，该课程的教学内容主要包括控制理论的理论学习，其强调的是课程学习的基础性及系统性；控制系统辅助分析设计方法，其重视使用MATLAB进行仿真设计的初步能力，了解设计内容、方法及步骤，培养学生确定设计方案、设计计算、编制程序、使用技术资料及编写设计说明书的能力；控制系统的平台实验，其重点在于巩固和加深对课程基本内容的理解，培养学生控制系统调试和实验研究的能力，要求初步掌握控制系统数学模拟的方法，实际系统和模拟系统过渡过程的测量方法，常用实验仪器设备的正确使用方法。上述的理论学习和软件、硬件实验是相互联系、相互促进的，如图1所示。学生通过理论学习后可以进行辅助分析设计及平台实验等实践性学习，在实践学习过程中一方面更形象、具体地掌握知识，提高设计创新能力；另一方面根据分析结果进行缺失理论知识的重新补充。
二、自动控制理论课程教学的几点思考和举措
尽管国内各工科学校对经典控制理论和现代控制理论课程的开设形式有所不同，但总的来说，该课程主要包括理论基础、辅助分析设计、平台实验三部分。
1.理论基础
理论基础主要分两部分：经典控制理论部分的学习；现代控制理论部分的学习。第一部分要求学生掌握自动控制的控制方式及组成；掌握线性系统数学模型的建立方法、系统的开环/闭环/误差传递函数等概念及各种等效变换方法；掌握控制系统时域稳定性分析的概念和方法；掌握利用根轨迹对系统性能进行分析；掌握控制系统频域稳定性分析的相关概念和方法；掌握采样系统稳定性判据方法及稳态误差计算方法等等。[6]第二部分要求学生掌握状态空间法分析系统的方法，包括系统的微分/差分方程、动态方程、传递/脉冲传递函数（矩阵）之间的转换；掌握线性定常系统/离散系统状态方程的求解；掌握能利用能控性、能观测性判据判断线性定常连续系统/离散系统的能控性、能观测性；掌握能用李雅普诺夫直接法判断控制系统的稳定性；掌握状态反馈、输出反馈的概念以及极点配置的条件及方法，掌握全维观测器和降维观测器设计。[7]该部分以理论授课为重点，在授课的同时结合往年自动化专业研究生入学考试题的不同类型以及实际工程应用中实际需求来补充理论知识点，以拓展学生课程知识面的广度和理论理解的深度。
2.辅助分析设计
MATLAB集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成一个方便的、界面友好的用户环境，已成为各大学多媒体教学的基本工具之一。在教学过程中将MATLAB语言和自动控制理论课程有机结合起来，既降低了理论学习的抽象性、增强了直观性，同时又让学生在课堂教学中轻松地学会了使用最先进的仿真工具，为专业课的学习和进一步深造打下必要的基础。
要想分析和设计一个控制系统，首先要建立系统数学模型，若用传统的等效变换结构图、Mason公式方法等求稍加复杂的系统传递函数，出错概率不可避免地会增大，但使用MATLAB语言编制程序可方便地求出系统的传递函数。当使用时域分析、根轨迹、频域分析方法对控制系统性能进行分析研究时，引入MATLAB后会在短时间内模拟出各控制环节的控制效果，使得处理问题形象而直观，能很好地帮助学生理解所得的结论。[3,4]该部分重点在于掌握使用MATLAB进行动态仿真和辅助分析进行系统设计。由于MATLAB语言在后续课程中有很大作用，建议有条件的学校开设相应的课程，使学生能认识和掌握该语言，提高他们求解问题的水平。
3.平台实验
多媒体计算机技术与仪器技术的结合构成了实验平台的基础。自动控制理论的平台实验要求初步掌握控制系统数学模拟的方法、实际系统和模拟系统控制过程及相关特性的测量方法以及常用实验仪器设备的正确使用方法。平台实验总体上可分为验证性实验、设计性实验和综合性实验。在实践性教学中应适当降低验证性实验的比例，加大设计性实验的比例，并开设综合性实验。验证性实验着重于教学内容的验证和基本技能的掌握；设计性实验是学生在充分理解课堂单元内容的基础上，着重考察其对单元内容的掌握程度和独立设计、应用能力；综合性实验鼓励学生主动研究探索，检验学生在阶段性学习中知识掌握知识的全面程度及是否具备灵活运用所学知识进行独立开发和设计的综合能力。
该部分重点在于通过实验巩固和加深学生对课程基本内容的理解，培养学生控制系统调试和实验研究的能力。在验证学生在实践性教学中的成果时，应采用平时成绩和实验结果、实验报告和创新设计加分的评分方式，激发学生的创新设计热情。MATLAB辅助分析设计方法和平台实验方法都能增强学生的学习兴趣，加深他们对理论知识的理解。通过仿真与模拟实验两种结果的对比分析，可让学生发现模拟实验中误差产生的原因、存在的错误以及提出解决问题的方案，提高学生分析、解决问题的能力。
自动控制理论是自动化专业中一门基于实践的理论基础课。国内各工科高校都非常重视这门课的教学改革与创新。[5]除在理论教学上加入学习和工程上需求的知识以拓展学生知识面广度和理解深度外，还应在MATLAB辅助分析设计和平台实验这些实践性教学中引入激发学生理解能力和创新能力的新举措，以利于学生更好地理解和掌握控制理论知识，开展综合设计性实验，培养学生的研究能力和创新能力。
参考文献：
[1]王鹍,田思庆,周经国.“自动控制原理”课程的教学改革与实践[J].中国电力教育,2010,(6):85-86.
[2]徐维晖.“自动控制原理”课程的教学研究与探索[J].中国电力教育,2010,(9):76-77.
[3]崔治,崔宪普.Matlab仿真在自动控制原理课程教学中的应用软件技术[J].现代电子技术,2009,(18).
[4]崔亚君,殷磊,于建立.对“自动控制原理”课程教学的若干思考[J].装备制造技术,2010,(3).
[5]周武能,等.自动控制原理教学改革与实践[J].教学研究,2010,33(1).
[6]高国燊,等.自动控制原理[M].广州:华南理工大学出版社,2009.
[7]刘豹,唐万生.现代控制理论[M].北京:机械工业出版社,2006.
（责任编辑：沈清）