【自动化专业自动控制原理的教学探讨】自动控制原理(非自动化专业)

　　摘要：本文阐述了在“自动控制原理”教学中要强化概念，淡化计算，并就自动化专业如何上好“自动控制原理”进行了论述。 　　关键词：自动化；控制系统；自动控制原理； 强化概念
　　中图分类号：TP13文献标识码：A
　　
　　1 引言
　　
　　“自动控制原理”是研究自动控制共性规律的技术科学。控制理论与其它任何学科一样，源于社会实践和科学实践。随着社会生产和科学技术的迅猛发展，自动控制已形成了完整的理论体系，主要包括经典控制理论、现代控制理论，以及自20世纪80年代逐渐形成的大系统理论和智能控制理论。“自动控制原理”是自动化类专业一门很重要理论基础和技术课程。该课程的特点是：内容丰富、理论性强、涉及知识面广、信息量大、而且比较抽象，是具有一定深度和学习难度的课程。本文主要讨论如何在这门课程的教学过程中把抽象的理论具象化，如何提高大家的兴趣，如何把这门课程与整个专业体系结合起来。
　　
　　2 上好《自动控制原理》第一课
　　
　　对于这门难度很高的课程，第一课一定要给予学生充分的感性认识，为基本概念的掌握打下好的基础。只有掌握了基本的概念，学生才有进一步自我深化的可能。而同时感性认识的获得的方法莫过于实际的例子。笔者为此设计了一些例子来进行教学，获得了较好的效果。现举出常用的一个例子与大家共同探讨。
　　如图所示，这是一个水位自动控制系统。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　首先需让同学们明白这个系统的控制过程。在教学实践中发现，由于比较贴近生活，同学们对于这个系统的自动运行原理基本都能自发自然的理解，不需太多的引导。但当教师要同学们对他自己的理解进行表述时却都不能准确完整的表达。因此在教学过程中要引导大家如何进行准确完整的表述。一般有以下这样几点需要表述出来。
　　（1）系统的控制目标是什么？被控制量是什么？被控对象是哪个？扰动量有哪些？（被控对象和被控量不要混淆，要让同学们分清楚，同时还要让大家明白系统的概念）
　　（2）什么元件实现对被控对象的驱动？这个元件就是执行元件。
　　（3）哪个元件实现对被控量的测量？它就是检测元件。它的信号是如何反馈的？
　　（4）输入量由哪个元件给定？反馈量如何与给定量进行比较？（一般要进行反馈量大于给定量和小于给定量的两方面分析，在讲解的时候要重点突出负反馈在自动控制系统中作用和地位）
　　（5）系统还有哪些元件给定？它们在系统中起什么作用？
　　通过这样的引导，同学们基本能完整准确的表述。反复进行这样的训练，同学们从中可以得到这些学习效果：基础概念不断丰富深入认识理解，系统的缜密的思维不断建立完善，语言表达能力得到提高。而且在分析的过程中，同学还能感觉到自动化原来并不是那么神秘，是可以学会，可以掌握的，从而提高大家学习兴趣。
　　当然在实际教学中，不能仅举上述一个例子，还需很多例子，如直流调速系统、位置随动系统、过程控制系统（一般书上温度控制最常见到）等等。例子越多，同学们感性认识越丰富，基础概念理解越深入准确。当然这个学习的过程中，还应该适当的留下空白，让同学们解答，或者让同学们写出一些简单控制系统的分析，作为大作业评讲。
　　我们在分析自控过程时，要让同学们领会到自动化专业课程体系的结构，知道每门课程的基本作用和地位。从而通过这门课程让大家可以初步建立起本专业的知识框架，至于具体内容，当然需要每门课程的具体教学去完成了。
　　
　　3 对“自动控制原理”课，从实际控制系统入手进行教学，强调工程和物理概念
　　
　　“自动控制原理”是一门理论性较强的课程，涉及知识面广，信息量大，所涉及的数学基础较为广泛，从微积分，复变函数，离散数学到矩阵理论。学生觉得难学，教师觉得难教。如果在教学过程中只注重一般的数学论证，缺乏工程和物理概念的阐述，学生学后不知用在哪里，如何运用。学生在课堂上忙于做笔记，课后忙于根据公式作大量的习题，考完试后，公式忘掉了，脑子里一片空白。这样的学习效果为后续专业课程的学习、毕业设计以及就业工作等带来许多问题。
　　任课教师必须有一个明确的认识，那就是设置本课程的教学目的并不在于使学生仅仅多学一些知识，而是通过该课程的学习，在学生头脑中形成一种稳固的思想，并使他们自己学会找出与本专业的实践结合点，培养一种对知识应用和创造的能力。在教学过程中一定要重点讲述基本概念、基本原理和基本方法。
　　通过典型示例，引出控制、自动控制，反馈等基本概念。例如，通过人骑自行车这样一个最简单的例子，引出控制系统的基本构成，通过人的控制将不稳定的被控对象通过反馈控制变成稳定，并且可实现跟踪控制，进而引出机器人控制这个热点的控制问题。根据换热器的温度控制，让同学们明确闭环控制的首要目的是为了克服不确定性因素，如对象本身的不确定性以及不确定性的干扰等。在关于稳定性的教学中，还要明确反馈可能会引起系统的不稳定，保持系统的稳定性是控制系统设计首先必须满足的基本要求。通过系统传递函数分析的关于系统的稳定性是有界输入/有界输出（BI/BO）稳定性，因传递函数本身就是关于系统的输入输出描述。通过这些典型示例，使学生们对学习本课程的任务有一个感性认识，明确自动控原理课程的主要内容就是采用时域、根轨迹、频域等各种方法分析控制系统的性能，并根据要求的系统性能指标，进行控制系统的设计校正。在掌握了这些基本概念后，学生的学习就有了明确的目的性。为了定量分析自动控制系统的性能，需用数学模型描述实际的物理系统，引出传递函数的概念。传递函数是控制理论中很重要的一个概念，不仅要让学生掌握它是在零初始条件下输入输出变量的拉氏变换之比，更要明确它表示的是输入输出的变化量之比。还可把它引伸为一个算子，实现从输入到输出的一个变换。同时还要明确传递函数只能描述元件或系统输入输出特性，即端部特性，而不能描述其内部状态。通过传递函数的引入，可建立控制系统的方框图。整个经典控制理论都是以传递函数为核心，围绕着系统方框图进行分析和设计。通过强化物理概念，使学生们看到的不仅是一个个方框图、传递函数，更要看到方框图背后所代表的物理系统，这样在进行分析和设计时就有了明确的物理概念。
　　在知识的传授中，注重控制思想和工程背景。本课程的设置目的不仅是对这门学科知识的掌握，更重要的是在各行业中的具体工程应用。因此在教学的全部过程中必须注重课程在工程的具体情况，并将工程的分析、设计实现方法渗入课程的教学中，如PID参数的整定及工程整定等。还应向学生介绍控制理论的前沿和热点，并结合教师的科研介绍在工程中的应用，以此使学生学会寻找各行业与控制理论的结合点，并去开创新的结合点，从而培养学生应用知识的能力和创新的能力。
　　
　　4 注重“自动控制原理”与“信号与系统”有机结合，拓宽学生的知识面
　　
　　自动化专业开设的“自动控制原理”和“信号与系统”两门课，都是作为专业基础课开设，两门课程在内容上存在一定的重复。将两门课的内容有机的结合在一起，做到一加一等于二，甚至大于二。“信号与系统”和“自动控制原理”是不同性质的专业基础课，虽然在内容上存在重复，但在思想体系及出发点上不同。 “信号与系统”偏重于弱信号的处理与传输，为通信系统的学习做准备。而“自动控制原理”则侧重系统的应用。因此在“自动控制原理”的教学过程中，注重对基本概念、基本理论和基本方法的阐述，使学生等到一定的工程应用概念。在选用例子时，尽量选用实际控制系统的例子，这样能够使学生在很少的时间内理解一般系统的控制规律，掌握控制系统的有关概念。而在讲述数学模型中的信号流图，采样系统中的z变换和差分方程的求解等内容时，由于这部分内容与“信号与系统”中的部分内容相重复，就可简单讲解。在“自动控制原理”中不重点讲述的脉冲响应函数和卷积的概念，而在“信号与系统”中作为重点进行阐述，这样可以拓宽学生的知识面，为第三学年学生选专业奠定了基础。
　　在自动化专业，同时开设“自动控制原理”和“信号与系统”两门课的时间还不长，在教学过程中会暴露出许多问题，如何在教学内容上统筹安排，使学生在有限的学时内获得更多的知识，仍需在今后的教学实践中不断探讨。
　　
　　参考文献
　　[1]罗冀， 程桂芬等. 控制工程与信号处理[M]. 北京： 化学工业出版社，2004.
　　[2]鄢景华. 自动控制理论[M]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学出版社，2000.
　　[3]胡寿松. 自动控制原理（第四版）[M]. 北京： 科学出版社，2002.
　　[4]郑君里，应启珩等.信号与系统 （第二版）[M]. 北京： 高等教育出版社，2000.
　　[5]吴大正.信号与线性系统分析 （第三版）[M]. 北京： 高等教育出版社，2000.

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