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分析學(xué)員的飛行控制系統(tǒng)論文
“自動(dòng)控制原理”課程是海軍航空工程學(xué)院飛行學(xué)員層次空間工程專業(yè)一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程，是許多后續(xù)課程的先導(dǎo)課。飛行學(xué)員是一個(gè)比較特殊的教學(xué)層次，其定位是本科層次，但事實(shí)上他們的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)比較薄弱，培養(yǎng)計(jì)劃對(duì)其提出了較高的要求，其任職目的明確，對(duì)于飛機(jī)的結(jié)構(gòu)、飛行控制等方面都要進(jìn)行全面的學(xué)習(xí)�！白詣�(dòng)控制原理”作為為后續(xù)“飛行控制系統(tǒng)”等課程服務(wù)的專業(yè)基礎(chǔ)課有著舉足輕重的作用，學(xué)員如何學(xué)好該門課程以適應(yīng)部隊(duì)崗位需求是一個(gè)值得探討的問題。
一、以任職需求為導(dǎo)向優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容
在課程教學(xué)中，應(yīng)制定適應(yīng)飛行學(xué)員層次的課程標(biāo)準(zhǔn)，圍繞課程標(biāo)準(zhǔn)中的要求，對(duì)課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，使學(xué)員既能掌握必備的知識(shí)和技能，又能培養(yǎng)獨(dú)立思考和實(shí)踐的能力。
考慮到飛行學(xué)員的基礎(chǔ)和今后任職的特點(diǎn)，新的課程標(biāo)準(zhǔn)降低了要求，主要要求其學(xué)習(xí)經(jīng)典的分析系統(tǒng)的方法，對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不做要求。根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，教學(xué)活動(dòng)可圍繞自動(dòng)控制概論、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)分析方法三個(gè)部分展開。在教學(xué)過程中注重教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化以及每個(gè)部分的完整性和各部分之間的緊密聯(lián)系，使整個(gè)課程內(nèi)容緊密銜接，增強(qiáng)控制理論的系統(tǒng)性。
概論部分主要是強(qiáng)調(diào)對(duì)基本概念的理解與掌握，應(yīng)針對(duì)飛行學(xué)員的特點(diǎn)，加強(qiáng)飛機(jī)人工控制和自動(dòng)控制的內(nèi)容，在引入概念的同時(shí)，提高飛行學(xué)員對(duì)飛機(jī)的濃厚興趣。
建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，這一部分不可或缺。需要用到的數(shù)學(xué)模型包括時(shí)域的微分方程、復(fù)數(shù)域的傳遞函數(shù)和頻率域的頻率特性。對(duì)于微分方程的求解，需要補(bǔ)充拉普拉斯變換的內(nèi)容，傳遞函數(shù)中的一個(gè)重點(diǎn)是對(duì)其圖形化表達(dá)式的掌握，由于梅森增益公式可以直接在結(jié)構(gòu)圖上運(yùn)用，因此，可以弱化信號(hào)流圖部分。
控制系統(tǒng)的三種分析方法是教學(xué)中的核心內(nèi)容。對(duì)于時(shí)域法，重點(diǎn)在于一階、二階系統(tǒng)的分析，這可與學(xué)員后續(xù)課程中的舵控制系統(tǒng)聯(lián)系起來，高階系統(tǒng)不用講，突出主導(dǎo)極點(diǎn)的概念即可; 將穩(wěn)定性分析和穩(wěn)態(tài)誤差計(jì)算作為重點(diǎn)，略去動(dòng)態(tài)誤差系數(shù)法。加強(qiáng)學(xué)員對(duì)根軌跡概念的理解，削弱根軌跡的繪制部分，因?yàn)楦壽E完全可以借助Matlab 軟件做出非常理想的曲線，而不用學(xué)員花大量精力去背那么多的繪制法則，可以將重點(diǎn)放在利用根軌跡定性分析系統(tǒng)的性能方面，尤其是穩(wěn)定性和快速性。頻域法作為圖形化分析方法需要畫大量的圖，只要明白了作圖的原理，作圖的過程完全可以由Matlab軟件完成，應(yīng)將重點(diǎn)放在分析部分。在頻域法的學(xué)習(xí)中需要給學(xué)員補(bǔ)充PID 控制的相關(guān)知識(shí)，他們的后續(xù)課程“飛行控制系統(tǒng)”中會(huì)涉及到這種經(jīng)典的控制方法。利用Matlab 軟件繪制根軌跡、幅相曲線和對(duì)數(shù)頻率特性曲線的方法非常簡(jiǎn)單，可以通過課后答疑的時(shí)間給學(xué)員補(bǔ)充，在激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)又提高了學(xué)習(xí)的效率。飛行學(xué)員大量的課余時(shí)間都用在了體能訓(xùn)練上，課后根本沒有那么多的時(shí)間來記復(fù)雜的繪制步驟，即使現(xiàn)在記住了，等后續(xù)課程開課時(shí)又忘記了，還不如掌握幾個(gè)簡(jiǎn)單的命令，在需要的時(shí)候加以運(yùn)用。
二、以后續(xù)專業(yè)課需求為標(biāo)準(zhǔn)編寫適應(yīng)該層次學(xué)員的教材
目前，國內(nèi)的“自動(dòng)控制原理”課程教材大多針對(duì)普通大學(xué)本科學(xué)生編寫，尚無專門針對(duì)海軍飛行學(xué)員層次的“自動(dòng)控制原理”課程教材。針對(duì)海軍飛行學(xué)員層次的特殊性，課程組正在著手編寫教材。在教材編寫的過程中，要與后續(xù)課程教員積極溝通，對(duì)于一些典型的知識(shí)點(diǎn)，盡量在后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)中找到應(yīng)用實(shí)例，解答學(xué)員對(duì)該知識(shí)點(diǎn)用處的困惑，與后續(xù)專業(yè)課銜接好。教材還要體現(xiàn)與飛行控制密切聯(lián)系的特色，讓飛行學(xué)員一拿到教材就有想閱讀的興趣。這就要求教材要具備大量的學(xué)員感興趣的飛行控制例子以及簡(jiǎn)單的公式推導(dǎo)，如何將復(fù)雜的內(nèi)容簡(jiǎn)單化是一個(gè)難題。針對(duì)以上教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化，教材會(huì)做出相應(yīng)的調(diào)整。
三、以學(xué)員為中心改進(jìn)教學(xué)模式和方法
( 一) 通過虛擬實(shí)驗(yàn)提高課堂效率，激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性�！白詣�(dòng)控制原理”課程涉及到控制系統(tǒng)的模型建立、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本理論和相關(guān)技術(shù)，其特點(diǎn)是概念抽象，數(shù)學(xué)知識(shí)應(yīng)用多，計(jì)算繁雜，導(dǎo)致學(xué)員難以理解，難以掌握其基本問題、基本思想和基本方法。因此，通過實(shí)踐教學(xué)能使學(xué)員更好地實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)際的有機(jī)結(jié)合，實(shí)踐教學(xué)已成為“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)必不可少的組成部分。
飛行學(xué)員層次的課程安排了五次實(shí)驗(yàn)，均基于THBCC - 1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。面對(duì)復(fù)雜的硬件電路，學(xué)員只能依據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書給定的電路來連接。在調(diào)節(jié)參數(shù)的過程中，可能不太清楚參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)所起的作用，也不能很好地理解理論與實(shí)踐的聯(lián)系，多數(shù)學(xué)員最后可能只是為了得到對(duì)應(yīng)的曲線形式以完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。為了充分提高課堂效率，幫助學(xué)員加深對(duì)理論的理解，我們制作了基于Labview 的自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)室。在課堂上講解一些重要的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，可以通過虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。比如: 在講到勞斯判據(jù)出現(xiàn)全零行的特殊情況時(shí)，當(dāng)勞斯表第一列的系數(shù)沒有符號(hào)改變時(shí)，系統(tǒng)有特征根位于虛軸上，部分學(xué)員對(duì)這一現(xiàn)象不能理解，通過虛擬實(shí)驗(yàn)的演示，可以使學(xué)員對(duì)根的分布一目了然，并且可以看到階躍響應(yīng)曲線出現(xiàn)等幅振蕩的形式。
( 二) 以學(xué)員為中心，實(shí)行引導(dǎo)式教學(xué)方法。目前，“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)的基本模式是采用多媒體課件進(jìn)行講授。在有限的學(xué)時(shí)里要講解課程標(biāo)準(zhǔn)要求的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，課堂時(shí)間非常緊張，隨著課程的深入，能跟上教員思路的學(xué)員越來越少，沒有聽懂的學(xué)員干脆就放棄了。課堂自然形成了教員講授多、學(xué)員參與少的現(xiàn)狀，這種方式會(huì)使學(xué)員失去學(xué)習(xí)的興趣，制約了學(xué)員自主學(xué)習(xí)能力和解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)。針對(duì)這種教學(xué)模式的弊端，我們應(yīng)當(dāng)盡量采取適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方式，變學(xué)員被動(dòng)學(xué)習(xí)為積極主動(dòng)學(xué)習(xí)。由于該課程概念多、理論性強(qiáng)，如果沒有學(xué)員的主動(dòng)學(xué)習(xí)，在短短的上課時(shí)間內(nèi)讓學(xué)員完全學(xué)懂和接受這門課程的所有內(nèi)容幾乎是不可能的。學(xué)員的主動(dòng)學(xué)習(xí)需要教員的有效引導(dǎo)，教員在課前要告知學(xué)員下一節(jié)課要講的內(nèi)容，將多媒體課件發(fā)到學(xué)員手中，讓學(xué)員提前預(yù)習(xí)。多媒體課件比教材簡(jiǎn)潔，更易突出重點(diǎn)和難點(diǎn)，學(xué)員通過課件預(yù)習(xí)比通過教材預(yù)習(xí)效果要好很多，然后可以帶著問題來聽課。這樣，學(xué)員在上課之前就對(duì)相對(duì)簡(jiǎn)單的內(nèi)容有了比較好的掌握，對(duì)于這一部分內(nèi)容，教員講解的時(shí)間可以少一些，重點(diǎn)解決難點(diǎn)問題，引導(dǎo)學(xué)員積極主動(dòng)地思考問題。學(xué)員也可以提出在預(yù)習(xí)中遇到的難題，通過解決這些問題達(dá)到良好的互動(dòng)效果，明確模糊概念和錯(cuò)誤理解。
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