【自動化專業(yè)自動控制原理的教學(xué)探討】自動控制原理(非自動化專業(yè))

　　摘要：本文闡述了在“自動控制原理”教學(xué)中要強(qiáng)化概念，淡化計(jì)算，并就自動化專業(yè)如何上好“自動控制原理”進(jìn)行了論述。 　　關(guān)鍵詞：自動化；控制系統(tǒng)；自動控制原理； 強(qiáng)化概念
　　中圖分類號：TP13文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　
　　1 引言
　　
　　“自動控制原理”是研究自動控制共性規(guī)律的技術(shù)科學(xué)�？刂评碚撆c其它任何學(xué)科一樣，源于社會實(shí)踐和科學(xué)實(shí)踐。隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，自動控制已形成了完整的理論體系，主要包括經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論，以及自20世紀(jì)80年代逐漸形成的大系統(tǒng)理論和智能控制理論�！白詣涌刂圃�理”是自動化類專業(yè)一門很重要理論基礎(chǔ)和技術(shù)課程。該課程的特點(diǎn)是：內(nèi)容豐富、理論性強(qiáng)、涉及知識面廣、信息量大、而且比較抽象，是具有一定深度和學(xué)習(xí)難度的課程。本文主要討論如何在這門課程的教學(xué)過程中把抽象的理論具象化，如何提高大家的興趣，如何把這門課程與整個專業(yè)體系結(jié)合起來。
　　
　　2 上好《自動控制原理》第一課
　　
　　對于這門難度很高的課程，第一課一定要給予學(xué)生充分的感性認(rèn)識，為基本概念的掌握打下好的基礎(chǔ)。只有掌握了基本的概念，學(xué)生才有進(jìn)一步自我深化的可能。而同時感性認(rèn)識的獲得的方法莫過于實(shí)際的例子。筆者為此設(shè)計(jì)了一些例子來進(jìn)行教學(xué)，獲得了較好的效果�，F(xiàn)舉出常用的一個例子與大家共同探討。
　　如圖所示，這是一個水位自動控制系統(tǒng)。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　首先需讓同學(xué)們明白這個系統(tǒng)的控制過程。在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，由于比較貼近生活，同學(xué)們對于這個系統(tǒng)的自動運(yùn)行原理基本都能自發(fā)自然的理解，不需太多的引導(dǎo)。但當(dāng)教師要同學(xué)們對他自己的理解進(jìn)行表述時卻都不能準(zhǔn)確完整的表達(dá)。因此在教學(xué)過程中要引導(dǎo)大家如何進(jìn)行準(zhǔn)確完整的表述。一般有以下這樣幾點(diǎn)需要表述出來。
　�。�1）系統(tǒng)的控制目標(biāo)是什么？被控制量是什么？被控對象是哪個？擾動量有哪些？（被控對象和被控量不要混淆，要讓同學(xué)們分清楚，同時還要讓大家明白系統(tǒng)的概念）
　�。�2）什么元件實(shí)現(xiàn)對被控對象的驅(qū)動？這個元件就是執(zhí)行元件。
　　（3）哪個元件實(shí)現(xiàn)對被控量的測量？它就是檢測元件。它的信號是如何反饋的？
　�。�4）輸入量由哪個元件給定？反饋量如何與給定量進(jìn)行比較？（一般要進(jìn)行反饋量大于給定量和小于給定量的兩方面分析，在講解的時候要重點(diǎn)突出負(fù)反饋在自動控制系統(tǒng)中作用和地位）
　�。�5）系統(tǒng)還有哪些元件給定？它們在系統(tǒng)中起什么作用？
　　通過這樣的引導(dǎo)，同學(xué)們基本能完整準(zhǔn)確的表述。反復(fù)進(jìn)行這樣的訓(xùn)練，同學(xué)們從中可以得到這些學(xué)習(xí)效果：基礎(chǔ)概念不斷豐富深入認(rèn)識理解，系統(tǒng)的縝密的思維不斷建立完善，語言表達(dá)能力得到提高。而且在分析的過程中，同學(xué)還能感覺到自動化原來并不是那么神秘，是可以學(xué)會，可以掌握的，從而提高大家學(xué)習(xí)興趣。
　　當(dāng)然在實(shí)際教學(xué)中，不能僅舉上述一個例子，還需很多例子，如直流調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)（一般書上溫度控制最常見到）等等。例子越多，同學(xué)們感性認(rèn)識越豐富，基礎(chǔ)概念理解越深入準(zhǔn)確。當(dāng)然這個學(xué)習(xí)的過程中，還應(yīng)該適當(dāng)?shù)牧粝驴瞻祝�讓同學(xué)們解答，或者讓同學(xué)們寫出一些簡單控制系統(tǒng)的分析，作為大作業(yè)評講。
　　我們在分析自控過程時，要讓同學(xué)們領(lǐng)會到自動化專業(yè)課程體系的結(jié)構(gòu)，知道每門課程的基本作用和地位。從而通過這門課程讓大家可以初步建立起本專業(yè)的知識框架，至于具體內(nèi)容，當(dāng)然需要每門課程的具體教學(xué)去完成了。
　　
　　3 對“自動控制原理”課，從實(shí)際控制系統(tǒng)入手進(jìn)行教學(xué)，強(qiáng)調(diào)工程和物理概念
　　
　　“自動控制原理”是一門理論性較強(qiáng)的課程，涉及知識面廣，信息量大，所涉及的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較為廣泛，從微積分，復(fù)變函數(shù)，離散數(shù)學(xué)到矩陣?yán)碚�。學(xué)生覺得難學(xué)，教師覺得難教。如果在教學(xué)過程中只注重一般的數(shù)學(xué)論證，缺乏工程和物理概念的闡述，學(xué)生學(xué)后不知用在哪里，如何運(yùn)用。學(xué)生在課堂上忙于做筆記，課后忙于根據(jù)公式作大量的習(xí)題，考完試后，公式忘掉了，腦子里一片空白。這樣的學(xué)習(xí)效果為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及就業(yè)工作等帶來許多問題。
　　任課教師必須有一個明確的認(rèn)識，那就是設(shè)置本課程的教學(xué)目的并不在于使學(xué)生僅僅多學(xué)一些知識，而是通過該課程的學(xué)習(xí)，在學(xué)生頭腦中形成一種穩(wěn)固的思想，并使他們自己學(xué)會找出與本專業(yè)的實(shí)踐結(jié)合點(diǎn)，培養(yǎng)一種對知識應(yīng)用和創(chuàng)造的能力。在教學(xué)過程中一定要重點(diǎn)講述基本概念、基本原理和基本方法。
　　通過典型示例，引出控制、自動控制，反饋等基本概念。例如，通過人騎自行車這樣一個最簡單的例子，引出控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成，通過人的控制將不穩(wěn)定的被控對象通過反饋控制變成穩(wěn)定，并且可實(shí)現(xiàn)跟蹤控制，進(jìn)而引出機(jī)器人控制這個熱點(diǎn)的控制問題。根據(jù)換熱器的溫度控制，讓同學(xué)們明確閉環(huán)控制的首要目的是為了克服不確定性因素，如對象本身的不確定性以及不確定性的干擾等。在關(guān)于穩(wěn)定性的教學(xué)中，還要明確反饋可能會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先必須滿足的基本要求。通過系統(tǒng)傳遞函數(shù)分析的關(guān)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性是有界輸入/有界輸出（BI/BO）穩(wěn)定性，因傳遞函數(shù)本身就是關(guān)于系統(tǒng)的輸入輸出描述。通過這些典型示例，使學(xué)生們對學(xué)習(xí)本課程的任務(wù)有一個感性認(rèn)識，明確自動控原理課程的主要內(nèi)容就是采用時域、根軌跡、頻域等各種方法分析控制系統(tǒng)的性能，并根據(jù)要求的系統(tǒng)性能指標(biāo)，進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)校正。在掌握了這些基本概念后，學(xué)生的學(xué)習(xí)就有了明確的目的性。為了定量分析自動控制系統(tǒng)的性能，需用數(shù)學(xué)模型描述實(shí)際的物理系統(tǒng)，引出傳遞函數(shù)的概念。傳遞函數(shù)是控制理論中很重要的一個概念，不僅要讓學(xué)生掌握它是在零初始條件下輸入輸出變量的拉氏變換之比，更要明確它表示的是輸入輸出的變化量之比。還可把它引伸為一個算子，實(shí)現(xiàn)從輸入到輸出的一個變換。同時還要明確傳遞函數(shù)只能描述元件或系統(tǒng)輸入輸出特性，即端部特性，而不能描述其內(nèi)部狀態(tài)。通過傳遞函數(shù)的引入，可建立控制系統(tǒng)的方框圖。整個經(jīng)典控制理論都是以傳遞函數(shù)為核心，圍繞著系統(tǒng)方框圖進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。通過強(qiáng)化物理概念，使學(xué)生們看到的不僅是一個個方框圖、傳遞函數(shù)，更要看到方框圖背后所代表的物理系統(tǒng)，這樣在進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)時就有了明確的物理概念。
　　在知識的傳授中，注重控制思想和工程背景。本課程的設(shè)置目的不僅是對這門學(xué)科知識的掌握，更重要的是在各行業(yè)中的具體工程應(yīng)用。因此在教學(xué)的全部過程中必須注重課程在工程的具體情況，并將工程的分析、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法滲入課程的教學(xué)中，如PID參數(shù)的整定及工程整定等。還應(yīng)向?qū)W生介紹控制理論的前沿和熱點(diǎn)，并結(jié)合教師的科研介紹在工程中的應(yīng)用，以此使學(xué)生學(xué)會尋找各行業(yè)與控制理論的結(jié)合點(diǎn)，并去開創(chuàng)新的結(jié)合點(diǎn)，從而培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用知識的能力和創(chuàng)新的能力。
　　
　　4 注重“自動控制原理”與“信號與系統(tǒng)”有機(jī)結(jié)合，拓寬學(xué)生的知識面
　　
　　自動化專業(yè)開設(shè)的“自動控制原理”和“信號與系統(tǒng)”兩門課，都是作為專業(yè)基礎(chǔ)課開設(shè)，兩門課程在內(nèi)容上存在一定的重復(fù)。將兩門課的內(nèi)容有機(jī)的結(jié)合在一起，做到一加一等于二，甚至大于二�！靶盘柵c系統(tǒng)”和“自動控制原理”是不同性質(zhì)的專業(yè)基礎(chǔ)課，雖然在內(nèi)容上存在重復(fù)，但在思想體系及出發(fā)點(diǎn)上不同。 “信號與系統(tǒng)”偏重于弱信號的處理與傳輸，為通信系統(tǒng)的學(xué)習(xí)做準(zhǔn)備。而“自動控制原理”則側(cè)重系統(tǒng)的應(yīng)用。因此在“自動控制原理”的教學(xué)過程中，注重對基本概念、基本理論和基本方法的闡述，使學(xué)生等到一定的工程應(yīng)用概念。在選用例子時，盡量選用實(shí)際控制系統(tǒng)的例子，這樣能夠使學(xué)生在很少的時間內(nèi)理解一般系統(tǒng)的控制規(guī)律，掌握控制系統(tǒng)的有關(guān)概念。而在講述數(shù)學(xué)模型中的信號流圖，采樣系統(tǒng)中的z變換和差分方程的求解等內(nèi)容時，由于這部分內(nèi)容與“信號與系統(tǒng)”中的部分內(nèi)容相重復(fù)，就可簡單講解。在“自動控制原理”中不重點(diǎn)講述的脈沖響應(yīng)函數(shù)和卷積的概念，而在“信號與系統(tǒng)”中作為重點(diǎn)進(jìn)行闡述，這樣可以拓寬學(xué)生的知識面，為第三學(xué)年學(xué)生選專業(yè)奠定了基礎(chǔ)。
　　在自動化專業(yè)，同時開設(shè)“自動控制原理”和“信號與系統(tǒng)”兩門課的時間還不長，在教學(xué)過程中會暴露出許多問題，如何在教學(xué)內(nèi)容上統(tǒng)籌安排，使學(xué)生在有限的學(xué)時內(nèi)獲得更多的知識，仍需在今后的教學(xué)實(shí)踐中不斷探討。
　　
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