時間：2022-05-14 04:16:52
導語：在自動控制理論論文的撰寫旅程中，學習并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了一篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領您探索更多的創(chuàng)作可能。
[摘要]自動控制理論課是電類專業(yè)的基礎課程，在課程設置和學生培養(yǎng)中占有重要地位。利用控制理論基本思想，指導該課程的建設過程，分析了教學過程的系統(tǒng)構(gòu)成特性、制約因素及相應的解決方法。通過多年的教學實踐，取得了較好的教學效果。
[關(guān)鍵詞]自動控制理論；系統(tǒng)分析；反饋；課程建設
0 引言
深化教學改革，提高教學質(zhì)量，強化素質(zhì)教育是當前高等學校教改的重要主題，而更重要的是教育思維模式的更新與變革。
所謂“教有法無定法”，但每位肩負“傳道、授業(yè)、解惑”職責的教師都希望收到事半功倍的效果。在專業(yè)課自動控制理論多年的教學工作中，筆者也在不斷理解社會發(fā)展變革對其的新要求，調(diào)整具體的授課思路與方法，摸索新的教學策略。本文將控制理論恰當?shù)貞玫阶詣涌刂评碚摻虒W之中，采取反饋控制手段，在教學實踐中，有效地提高教學質(zhì)量。
1 課程特點及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
自動控制理論課程是電氣類、機電類專業(yè)的一門理論性很強的專業(yè)基礎課，在學生培養(yǎng)過程中占有重要的地位，一般都在大學三年級第一學期或第二學期開設。這門課有其自身的特點，如知識系統(tǒng)連接較為緊密、計算性強、作圖方法多；課程中知識點多且抽象，而且對數(shù)學基礎要求較高，涉及到的數(shù)學知識包括高等數(shù)學、線性代數(shù)、積分變換、復變函數(shù)等；與工程實際聯(lián)系較為緊密。在教學中必須要遵循由淺入深、從易到難的規(guī)律，對先修課程應有一定程度的理解，并在此基礎上以系統(tǒng)的、整體的觀念實施教學。
控制系統(tǒng)按照有無反饋可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)輸出量對系統(tǒng)的控制量不產(chǎn)生影響，即信息單向流動；而閉環(huán)系統(tǒng)中，不僅存在著輸入對輸出的前向控制作用，輸出同時對輸入產(chǎn)生反向的影響，即在系統(tǒng)中，信息形成雙向閉合回路。反饋控制是一切閉合系統(tǒng)自動控制的精要所在，任何系統(tǒng)只有根據(jù)反饋信息才能比較、糾正和調(diào)整它發(fā)出的控制量，從而實現(xiàn)對被控對象的有效控制，達到預期的目的。
在教學過程中，教師與學生之間的“教”與“學”的過程顯然不能用單向信息傳遞來描述，否則授課與教育的過程變成了被動的接受過程。而一直強調(diào)的互動與調(diào)研正是信息的雙向交流，也就是反饋控制的應用。如何正確地應用反饋控制理論，合理地設置反饋環(huán)節(jié)和控制環(huán)節(jié)，以提高課堂效率、提升教學質(zhì)量，正是要討論的問題。
2 課程建設中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析與對策
下面結(jié)合控制系統(tǒng)的一般分析與設計過程和自動控制理論的教學實踐來分析教學的各個環(huán)節(jié)，運用控制理論制定對策，指導教學過程。
2.1 被控對象分析和目標制定
控制系統(tǒng)設計首先是要掌握被控對象的特點，抓住主要矛盾，進而制定明確而又實際的控制目標。過低的目標失去了控制調(diào)節(jié)的意義，過高的目標又會增加控制成本。作為授課教師，面對的研究對象是自動控制理論課程和學生(稱為基本被控對象)，目標是合理地利用課上及課余時間讓學生在短時間內(nèi)掌握基礎知識，提高應用能力；而作為教學管理者，其研究對象是包括教師和基本控制對象在內(nèi)的廣義被控對象，目標是排除多方面干擾的影響，適應社會發(fā)展的需要，合理利用教學資源，培養(yǎng)具有較強競爭力的學生，同時打造具有鮮明特色的專業(yè)課程。
由于課程開設在公共基礎課之后，大多學生在先修課程中習慣了定量化、精確化的分析方法，而疏于用物理概念進行系統(tǒng)定性分析，特別是如何針對實際系統(tǒng)存在的問題，采取相應的分析和設計更是他們在學習方法上的薄弱之處。自動控制理論課程定性分析與圖示解釋較多，在傳統(tǒng)的教學過程中，一般都是按照教材的自然順序按部就班地進行講解，并且課堂授課中，教師需在黑板上做大量的數(shù)學分析推導，繪制大量的曲線，因此課堂教學往往是索然無味的公式推導、定理證明和手工繪圖。在實驗教學環(huán)節(jié)中驗證型實驗多，設計型實驗少，甚至存在“一鍵式”實驗，這樣難以鍛煉學生的設計能力，對于學生自學能力的培養(yǎng)、設計能力的開發(fā)都存在著極大的阻礙作用。
對授課具體內(nèi)容而言，自動控制理論主要研究的負反饋系統(tǒng)，包括系統(tǒng)的分析和設計兩大方面，理論知識學習的目的是系統(tǒng)設計，而系統(tǒng)分析是設計的基礎。分析與設計都是圍繞穩(wěn)定性、快速性和準確性三方面展開。分析方法主要是時域分析法、根軌跡法和頻域分析法，分別從時域、復域、頻域等不同的角度分析同一個控制系統(tǒng)，但最終歸結(jié)于時域性能分析。
由此就清楚地勾勒出研究對象的輪廓，在這個基本輪廓之下展開教學，根據(jù)課程、學生及教師的特點，抓住了課程的關(guān)鍵，用統(tǒng)一的思想將課程內(nèi)容融會貫通，教、學、輔聯(lián)成一體，有助于學生加深對學習目的的認識，掌握知識體系，提高學習效率，同時也有利于管理者從整體上把握課程建設。這正是控制理論系繞性觀點的體現(xiàn)。
2.2 反饋環(huán)節(jié)設置
反饋是控制理論的基礎和精要所在，任何系統(tǒng)只有通過反饋信息，與預先設計的目標進行比較，利用二者形成的偏差不斷調(diào)整，才能產(chǎn)生有效的控制，形成一個信息傳遞的閉合回路。沒有反饋信息的非閉合回路或者反饋信息過于粗糙甚至錯誤的閉環(huán)系統(tǒng)，都不可能實現(xiàn)預期控制。
在教學實踐中，反饋監(jiān)測點的設置和反饋信息的提取與處理應遵循點面結(jié)合的原則，即既要考慮與多個控制目標(學生培養(yǎng)、教師隊伍、課程建設)相關(guān)的評價指標的設計，又要兼顧評價、反饋量提取的可行性，同時要重點關(guān)注制約控制效果的關(guān)鍵點，并在反饋信息綜合中加以不同權(quán)重。對于反饋信息的獲取主要通過3個方面，如圖1所示，并形成三環(huán)反饋控制，及時調(diào)整教學中出現(xiàn)的各種偏頗。
內(nèi)環(huán)反饋信息來源于課堂教學。教師在充分備課、清晰講解的基礎上，加強和學生的互動與交流，收集學生對該課程的反饋信息，及時對課程教學進行調(diào)整。課堂學生反應最能直接地體現(xiàn)教學效果，可以通過觀察學生的目光、給出適當?shù)奶釂枴⒉扇l(fā)式與聯(lián)想式講解、提供一定的討論和練習等不同方式來收集學生的反饋信息。根據(jù)控制理論，內(nèi)環(huán)反饋控制對于系統(tǒng)的調(diào)節(jié)最為直接，因此授課教師應采取多種手段，激發(fā)學生的學習興趣和參與意識，給學生創(chuàng)造一個相對輕松的心理環(huán)境，以便更多地獲取真實反饋信息，使課堂信息由單向傳遞變成雙向傳遞，形成閉環(huán)調(diào)節(jié)，提高課堂效率。中環(huán)反饋信息來源于學生定期的網(wǎng)上評教和教學督導意見。發(fā)揮網(wǎng)絡平臺作用，通過設置學生信息反饋平臺和網(wǎng)上評教系統(tǒng)，鼓勵學生將自己在學習過程中遇到的問題、對各個教學環(huán)節(jié)的意見和建議反饋給教研室或者教師本人。同時結(jié)合教學督導的意見，對授課過程加以優(yōu)化。外環(huán)反饋信息來源于最終的考試成績以及課程結(jié)束后的教學研討。盡管考試成績不能說明一切問題，但通過考試過程及試卷分析，可以發(fā)現(xiàn)學生在學習該課程中存在的共性問題；通過教學形勢分析和教學方法研討可以掌握社會知識需求，同時達到取長補短的目的。
2.3 干擾分析
控制系統(tǒng)中，干擾不可避免，并且直接影響控制效果，因此干擾抑制問題是控制系統(tǒng)分析的一個重要內(nèi)容。在控制理論中通?？梢圆捎妙A測和補償?shù)姆椒ㄏ魅跗鋵敵龅挠绊憽Ｔ谶@里，需首先分析干擾及不確定因素的產(chǎn)生。在該系統(tǒng)中，人(教師、學生、管理者)是主要的系統(tǒng)組成部分，個人的差異性，必然導致信息傳遞過程中的不確定性。如，學生基礎知識、教師知識結(jié)構(gòu)與研究興趣、反饋信息的客觀表現(xiàn)、管理決策的執(zhí)行差異等等都是客觀存在且隨機變化的。應重點關(guān)注整體的不確定，并做好相應的“補償”準備。首先了解學生預備知識的掌握情況，是否需要補償。課程中涉及到的數(shù)學知識很多，如積分變換、拉普拉斯變換、復變函數(shù)等等，但所需知識點相對較孤立，因此可以利用較短時間進行“突擊培訓”。實踐證明，適當?shù)摹盎A知識補償法”對于課程重點、難點的講解具有良好的輔助作用，教師和學生都減輕了壓力；其次是課堂干擾補償。課堂上的互動是必要的，既可以調(diào)節(jié)課堂氣氛，又有利于信息的雙向溝通。但不能以點帶面，讓片面的反饋信息占據(jù)主導地位。課堂上提問式講解，教師總是希望得到正確的回應，但不可將個別回應作為學生全面掌握知識的反饋信息。因此要剔除這種期待已久的“特殊喜訊”，注意觀察大部分學生的反應和課堂情緒，排除干擾；第三是排除評價干擾。來自學生、督導、同行等方面的評價是系統(tǒng)中重要的反饋信息，為避免個別的不公正評價，需設置信息過濾機制，過濾掉帶個人感情成分的“奇異值”，對來自不同方面的反饋信息加權(quán)處理。當然這個過程應以學生反饋信息為主，其他方面反饋為輔；最后是執(zhí)行干擾補償。在一個完整的教學計劃執(zhí)行過程中，教師是策劃者和執(zhí)行者。但教師水平、教學經(jīng)驗甚至責任心的差異，都可視為一種干擾，都可能影響教學效果。因此適當?shù)慕虒W示范課、教學基本功訓練、定期的教研組討論、教學方法交流都是必要的補償方法。
2.4 控制調(diào)節(jié)制定
控制調(diào)節(jié)主要考慮兩方面：一是教師的作用，二是教學管理者的作用。
教師方面。強調(diào)信息的雙向流動，要達到學生掌握教師傳授的知識、方法這一目的，因此教師應該成為駕馭課堂、掌控知識的角色。授課教師要精心設計每堂課，特別是緒論的講解。作為控制論的入門課程，必須要讓學生在首次接觸課程的同時，將一個異常開闊的視野展示在他們面前，而不是讓其產(chǎn)生這僅僅是公式推導、純粹理論堆積的錯覺，進而刺激學生求知、探索的興趣和激情。鮮活生動的應用實例，具體的視頻展示是沖擊和震撼學生這種發(fā)散思維的最好手段。需要摒棄傳統(tǒng)教學中發(fā)展歷史的簡單羅列，取而代之的是聲情并茂的圖文、視頻展示，既融入了大量專業(yè)信息，又激發(fā)學生的興趣，取得了事半功倍的效果。此外，通過適當?shù)慕虒W經(jīng)驗交流、教學方法討論，使每位任課教師在熟知教學內(nèi)容的基礎上，培養(yǎng)教師運用適當方法，調(diào)控課堂氣氛，激發(fā)學生熱情的課堂應變能力。
管理者方面。教學管理者除關(guān)心教學效果外，更要關(guān)心如何打造一門精品課程，如何培養(yǎng)一支精干隊伍。因此其調(diào)控行為相對要宏觀，在控制理論課程建設過程中，主要從以下幾方面著手調(diào)控。
1)教學實驗環(huán)境改善。作為重要輔助手段的實驗教學在課程建設中作用不容忽視，除了更新實驗設備之外，更注重實驗內(nèi)容的更新。通過增加開放性實驗、設計型實驗、自主開發(fā)型實驗，開闊學生視野，鍛煉實踐能力。
2)教學計劃適時調(diào)整。盡管目前學時壓縮是個大的趨勢，控制理論課程同樣受到影響，但對于基礎內(nèi)容、經(jīng)典方法的學時不能壓縮。通過更新教學內(nèi)容、編寫適合自己專業(yè)的特色教材，合理使用多媒體教學手段，使教師和學生在教與學的過程中都做到得心應手。
3)建立一定的獎懲激勵機制。結(jié)合學生評教、教學督導及教研室評價，對課程綜合打分，并對教學成績突出的教師給予一定的物質(zhì)和精神獎勵措施，激發(fā)教師的教學投入熱情，營造積極向上的競爭氣氛。
3 結(jié)束語
在多年自動控制理論教學實踐中，筆者對“控制理論”學以致用，在充分分析課程特點、考察教學過程的基礎上，利用控制理論基本思想，發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢，分別針對目標制定、反饋設置、干擾抑制、控制手段等方面找到教學活動的對應環(huán)節(jié)，摸索出適合電類、機電類專業(yè)學生學習的教學方法。同時，對其他課程體系建設具有一定的借鑒作用。
摘 要：自動控制理論課程涉及自動控制系統(tǒng)分析與設計的基本理論和基本方法，其特點是概念抽象、術(shù)語多、數(shù)學成分大、工程實踐性強，要求該課程在教學方法上進行探索。研究并探索了該課程基于認識論和方法論的有效教學方法，經(jīng)過近幾年的探索與實踐，教學效果良好，可為提高該課程的教學質(zhì)量和進行有效的課堂教學提供參考。
關(guān)鍵詞：自動控制理論；有效教學；探索與實踐
自動控制理論課程是支撐我校導航、制導與控制國家重點學科的主干課程，自1959年起即為測控工程專業(yè)學員開設，目前已面向全院本科學員，是全院性的專業(yè)基礎課，選用胡壽松教授主編的《自動控制原理(第五版)》教材。
自動控制理論課程綜合性強、知識覆蓋面廣、基本概念和術(shù)語多，數(shù)學推導多。它不僅要求學生有扎實的高等數(shù)學、工程數(shù)學、復變函數(shù)、模擬電路、電工技術(shù)等課程基礎知識，而且還要有較強的計算能力和工程素養(yǎng)。特別是隨著控制技術(shù)的迅速發(fā)展，課程內(nèi)容不斷豐富充實(教材的第一至六章和第八章)，講授對象也日漸廣泛，而課程學時卻一再壓縮(課內(nèi)60學時)，要求也越來越高，并且所選用教材的內(nèi)容特點往往使學生因缺乏工程實踐，缺乏對實際控制系統(tǒng)的感性認識而感到內(nèi)容比較抽象，知識點分散、公式多、推導多，進而影響學習效果?？傊n程標準和教材內(nèi)容的特點讓學員感到難學，教員感到難教。該課程的改革和建設是全面提高專業(yè)課教學質(zhì)量的基礎，促進學科發(fā)展的關(guān)鍵。為提高教學效果，促進“指技合一”復合型軍事人才培養(yǎng)，我們對該課程的有效教學方法進行了探索實踐。
1 基于認識論和方法論的教學方法探索
1.1 從定性到定量、再到定性的分析思路
人類認識自然、了解自然，總是遵循從定性到定量、再到定性的這一規(guī)律，這種過程也是認識論所倡導的規(guī)律。自動控制理論課程的目的是讓學員掌握控制的基本概念，并能夠?qū)嶋H的控制系統(tǒng)進行分析、設計。理解控制的概念比較容易，但要實施恰當?shù)目刂苿t比較難。在課程教學過程中，我們經(jīng)常強調(diào)從定性到定量、再到定性的這一認識過程，幫助學員掌握整個課程的分析、學習思路，從總體上把握教材的內(nèi)容，取得了較好的效果。
例如，對于一般自動控制系統(tǒng)的控制原理分析是定性分析，但是光知道自動控制的基本概念和原理是遠遠不夠的，一個實際的系統(tǒng)要能夠進行工作，必須對它進行定量分析，也就是要分析其穩(wěn)定性、準確性和快速性指標。為了達到定量分析的目的，必須對系統(tǒng)建立模型，這個模型就是數(shù)學模型，包括微分方程、傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖和頻率特性，正好是教材第二章和第五章的內(nèi)容。數(shù)學模型是實施定量分析的基礎，有了模型并能夠?qū)ζ溥M行求解(拉普拉斯變換和反變換)的基礎上，我們就能夠?qū)ο到y(tǒng)進行定量的認識。例如對快速性的認識，是通過對一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)的性能分析來建立起動態(tài)性能指標；對于穩(wěn)定性的認識是通過線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件和勞斯—赫爾維茨判據(jù)、奈氏判據(jù)、對數(shù)頻率域穩(wěn)定判據(jù)來進行的；對于準確性的認識是通過終值定理和靜態(tài)(動態(tài))誤差系數(shù)法求穩(wěn)態(tài)誤差來進行的。
學員在學習過程中，喜歡對系統(tǒng)進行定量分析。因為定量分析有公式，計算簡單，容易得出結(jié)果；而定性的結(jié)論，多屬定量分析的結(jié)果、文字性結(jié)論以及相關(guān)的描述性結(jié)論。為此，我們在教學過程中強調(diào)，定量分析比較容易，難的是從定量分析上升到定性的結(jié)論和定性分析上去，也就是對這些定量的公式、結(jié)果的分析。例如，穩(wěn)定性與參數(shù)之間的定性的關(guān)系；動態(tài)性能指標與系統(tǒng)參數(shù)之間的變化關(guān)系；穩(wěn)態(tài)誤差隨系統(tǒng)參數(shù)變化如何變化；穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差和動態(tài)性能指標與系統(tǒng)參數(shù)變化之間的關(guān)系；高階系統(tǒng)增加閉環(huán)零點和閉環(huán)極點對系統(tǒng)有什么影響等。
1.2 從開環(huán)系統(tǒng)分析閉環(huán)性能的策略
控制的核心思想是反饋，反饋就可使一般的開環(huán)系統(tǒng)變成閉環(huán)系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)的開環(huán)與閉環(huán)之間存在緊密的聯(lián)系，一般來說，開環(huán)系統(tǒng)容易分析和理解，也容易獲得其數(shù)學模型，因為開環(huán)系統(tǒng)一般是由各種典型環(huán)節(jié)組成的，可以很方便地求得開環(huán)系統(tǒng)的零點和極點。因此，為了分析系統(tǒng)的閉環(huán)性能，常常從開環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)、開環(huán)性能出發(fā)來研究和分析。
例如，為了分析閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，勞斯判據(jù)需要知道閉環(huán)特征方程，而閉環(huán)特征方程正好是1+Gk(s)=0，其中Gk(S)就是系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)；而用奈氏判據(jù)直接通過開環(huán)幅相特性曲線Gk(jw)就可判別系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性，也是從開環(huán)傳遞函數(shù)出發(fā)的。分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差時，對于型如tm或其線性組合的輸入來說，可直接通過對開環(huán)傳遞函數(shù)的型別v和開環(huán)增益k來得到靜態(tài)誤差系數(shù)從而算出穩(wěn)態(tài)誤差。繪制根軌跡時，由1+Gk(s)=0可推導出根軌跡方程，最終可直接采用開環(huán)傳遞函數(shù)Gk(s)來繪制閉環(huán)根軌跡，并根據(jù)閉環(huán)根軌跡分析系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能、穩(wěn)定性等信息。
從開環(huán)系統(tǒng)分析閉環(huán)性能的策略可以幫助學員掌握各種分析方法的出發(fā)基點和分析目的。由于自動控制理論課程概念、術(shù)語多，從什么條件出發(fā)分析系統(tǒng)的什么性能在學員學習過程中經(jīng)常引起混淆，往往課程教學已經(jīng)結(jié)束了，學員還不知道用什么傳遞函數(shù)來繪制什么(開環(huán)、閉環(huán))系統(tǒng)的根軌跡，用什么傳遞函數(shù)來計算(開環(huán)、閉環(huán))系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。諸如此類，不一而足。
1.3 從對控制系統(tǒng)的要求出發(fā)整體把握教學內(nèi)容
自動控制理論課程內(nèi)容繁雜，基本概念、定義、術(shù)語、公式多，學員難以從整體上把握課程的全貌，難以建立課程知識體系之間的內(nèi)在聯(lián)系，大部分學員只有靠機械記憶來掌握課程內(nèi)容。在教學過程中，我們通過從控制系統(tǒng)的一般要求出發(fā)，將課程體系有機聯(lián)系起來，收到較好的效果。
對自動控制系統(tǒng)的一般要求是“穩(wěn)、準、快”，因此對控制系統(tǒng)進行分析就是對這三個字進行分析，即分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性(穩(wěn)態(tài)誤差)和快速性(動態(tài)性能指標)。首先要求知道它們的準確含義，其次要采用合適的分析方法。分析方法最直觀的是時域分析法(第三章)；其次是在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化的時候，系統(tǒng)的性能如何變化，可采用根軌跡法進行分析(第四章)；除此之外，如果系統(tǒng)的輸入是正弦波，對系統(tǒng)的分析可采用頻域法進行(第五章)；如果系統(tǒng)的性能不符合要求，則必須對系統(tǒng)進行校正(第六章)。
當然，對于每一種分析方法，其分析特點和目的也不一樣。時域分析可提供時域指標的全部信息；根軌跡法分析具有時域分析的特點，但它可以提供系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時的閉環(huán)系統(tǒng)的根的分布情況，從而可以分析系統(tǒng)的時域指標；而頻域分析由于方法的特點，可以分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度，但不能提供直觀的時域指標。
1.4 線性疊加的思想
自動控制理論講授的主要是經(jīng)典控制理論，研究對象是線性定常系統(tǒng)，其主要特性是疊加性和均勻性。在系統(tǒng)分析過程中，經(jīng)常采用的策略是疊加。從一般的多輸入產(chǎn)生的輸出是采用疊加原理，到開環(huán)對數(shù)幅相特性曲線的繪制也是將幅頻特性相乘變成對數(shù)幅頻特性的相加從而簡化運算。對系統(tǒng)進行校正的時候，串聯(lián)校正采用的是線性疊加，而反饋校正不具有疊加性，但通過進行一定的簡化，最后進行反饋校正進行設計時，也是通過近似的線性疊加的辦法。因此，疊加的思想在課程中運用得相當普遍。
2 教學實踐體會與教學效果
2.1 多從工程的角度進行教學
自動控制的基礎是微分方程的求解，但精確求解微分方程卻不是本門課程的重點。自動控制理論是從工程實踐中發(fā)展并提煉出來的。因此，雖然求解微分方程具有邏輯嚴密性和精確性，但數(shù)學特性卻不是該課程的主要特性，在教學過程中應該強調(diào)的是其工程性。它的工程性主要體現(xiàn)在幾個方面。一是近似、簡化的方法，例如對非線性系統(tǒng)的小偏差線性化法近似成線性系統(tǒng)，這種近似在工程上是應用得非常多的，也是非常有效的，在一定程度上能夠滿足工程的需要；再例如在一定條件下將高階系統(tǒng)簡化為一階或二階系統(tǒng)。二是大量公式的推導過程應該注重工程背景，而不能從純數(shù)學的角度出發(fā)進行推導教學，嚴密的數(shù)學推導并不是本課程的主要目的，即不能將本課程講成一門純數(shù)學的課程，而應該從工程的角度出發(fā)，充分利用簡化、近似、適用范圍等工程使用條件，對相關(guān)知識點進行講授。
2.2 適當強調(diào)控制系統(tǒng)的設計
自動控制理論課程的目標有兩個：一是控制系統(tǒng)的分析；二是控制系統(tǒng)的設計。我校所選用的教材是以控制系統(tǒng)的分析方法為主線，在控制系統(tǒng)的分析方面內(nèi)容比較詳盡，各種分析方法都有介紹，知識點成體系，但對控制系統(tǒng)的設計則講得較少，也就是注重基礎知識的講授，而忽略如何利用分析方法進行控制系統(tǒng)設計。學員學完該課程之后，掌握了許多控制系統(tǒng)分析的方法，但對實際控制系統(tǒng)的設計基本沒有思路，總感覺無從下手。
為此，在教學過程中，筆者強調(diào)基礎分析方法的同時，引入另外一條控制系統(tǒng)設計的主線，以一個導彈控制系統(tǒng)儀器為例，從其控制原理、數(shù)學模型、時域響應分析、根軌跡分析、頻域分析以及頻率域校正方法出發(fā)，對該儀器系統(tǒng)進行分析與設計，既增加了學員學習相關(guān)知識的積極性，又提高了教學效果和學習效果。
此外，原教材的知識內(nèi)容在控制系統(tǒng)的設計方面雖然篇幅較少，但是涉及相關(guān)設計的內(nèi)容都已經(jīng)融合在相關(guān)知識點中。比如對一階、二階系統(tǒng)的參數(shù)分析與調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)開環(huán)增益的調(diào)節(jié)作用等，實際上對被控對象或系統(tǒng)增益的調(diào)節(jié)已經(jīng)是系統(tǒng)設計的內(nèi)容了。事實上，自動控制理論的發(fā)展在相當長的一段時間內(nèi)都是對系統(tǒng)的參數(shù)進行調(diào)節(jié)。如果參數(shù)調(diào)節(jié)不起作用，則需要采用校正方法來改善系統(tǒng)的性能。
值得注意的是，過多地強調(diào)系統(tǒng)設計的內(nèi)容會犧牲對基本理論與方法的教學。引入以實際控制系統(tǒng)的設計這條主線，應當處理好基本理論方法與應用之間的關(guān)系，注意把握基本理論方法與應用之間的“度”，這個“度”就是在不犧牲課程內(nèi)容體系、知識體系完整性的前提下，適當增加設計方面的內(nèi)容。
除此之外，對教學內(nèi)容進行整合和精選，引入Matlab編制的輔助教學軟件等措施，也在教學過程中得到了有益的嘗試。
3 結(jié)束語
近三年來，在自動控制理論課程的教學過程中，采用基于方法論和認識論的有效教學方法的探索和實踐，與以往的教學情況相比取得了明顯的教學效果。有學員說，通過這樣的教學方法，我們很容易理解課程的內(nèi)容體系，知道該掌握哪些知識，哪些是重點，哪些是難點，能夠從總體上把握經(jīng)典控制理論的全貌。對于青年教員來說，通過這樣的實踐，能夠讓他們盡快地理解掌握課程體系和內(nèi)容，盡快幫助他們成長為一名合格的自動控制理論課程教員。當然，隨著自動化技術(shù)的飛速發(fā)展，為了能夠適應新時期對人才培養(yǎng)的需要，必須加強自動控制理論課程的教學改革和探索，不斷地更新和完善教學內(nèi)容，改進教學方法，將自動控制理論課程的教學推向一個新的高度。
摘要：采用先進的熱工自動化產(chǎn)品后不但可大幅度提高電廠的安全性,避免出現(xiàn)非計劃停爐停機的重大事故,而且可極大地提高電廠的經(jīng)濟效益。本文對自動控制理論在火電廠熱工自動化中的應用進行了探討，僅供參考。
關(guān)鍵詞：熱工自動化；控制；火電廠；應用
一、自動化控制理論概述
1、自動控制理論簡介
當前,自動控制理論經(jīng)歷了現(xiàn)代化控制理論到智能控制理論的發(fā)展,已經(jīng)成為自動控制科學的核心。根據(jù)不同的條件,可以將自動控制系統(tǒng)進行不同的分類,如按照其控制裝置的不同,分為模擬式的常規(guī)控制以及計算機控制兩種。其次,從是否有反饋上來說,可以分為開環(huán)與閉環(huán)兩種控制系統(tǒng)。最后,從設定值是否是固定的這一角度來說,又可以分成是隨動以及定值控制系統(tǒng)。
2、火電廠熱工自動化的主要內(nèi)容和應用現(xiàn)狀
如今，各個領域的企業(yè)單位都開始在追求自動化，將熱工自動化控制系統(tǒng)應用到電力企業(yè)中，可以促使其更好更快的發(fā)展。具體來講，熱工自動化控制包括諸多方面的內(nèi)容，比如自動檢測、自動控制、自動報警以及自動保護等。自動檢測指的是利用自動化儀表可以獨立測量熱力過程中的熱工參數(shù)，比如溫度、壓力、流量以及成份等，在這個過程中，是不需要工作人員參與的。通過應用自動檢測，可以將火電廠工作中存在的各種問題及時找出來，采取一系列的措施進行處理，結(jié)合檢測情況來合理調(diào)整火電廠機組的運行。
自動控制指的是利用自動控制裝置來自動運行和調(diào)節(jié)火電廠機組中某些過程和設備，促使機組可以更加安全穩(wěn)定的運行，另外，經(jīng)濟性也可以得到提高。這種操作是嚴格依據(jù)擬定的步驟和條件來進行的，因此也有人將其稱之為順序控制，主要在機組的啟停、運行以及事故處理中應用順序控制。生產(chǎn)設備的具體情況以及運行要求決定著順序控制的步驟和每一個環(huán)節(jié)的內(nèi)容；結(jié)合操作次序和條件，來合理編制順序控制的流程，它的實現(xiàn)是由自動裝置來完成的?？刂蒲b置除了具備基本的聯(lián)鎖保護功能之外，還需要具有一定的邏輯判斷能力。當完成了某一項操作之后，需要標明已經(jīng)實現(xiàn)了本步驟操作，方可開始下一步操作，否則，就需要將操作順序進行中斷，然后報警。自動報警指的是如果在機組運行中無人控制，如果不慎偏離了相關(guān)參數(shù)控制，就可以自動對工作人員進行提示，采取一系列的調(diào)整措施，來降低重大故障和事故的發(fā)生幾率。隨著時代的發(fā)展和進步，機組容量越來越大，那么熱力系統(tǒng)的復雜程度也越來越高，操作控制的難度較大，需要具備更高質(zhì)量的自動保護。具體來講，自動報警主要應用于高低水位、超溫超壓以及事故狀態(tài)等方面。
自動保護指的是如果熱工參數(shù)超過了相關(guān)標準，或者是設備運行條件不符合相關(guān)要求，那么就可以自我修復和控制機組設備，為了避免發(fā)生更加嚴重的事故，還可以停止設備的運行。在衡量供電質(zhì)量方面，非常重要的一個指標就是電的頻率，那么就需要汽輪機具備的轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有較高的性能，這樣才可以控制電頻率，使其不超出相關(guān)的精度范圍。在鍋爐的實際運行中，需要有一些參數(shù)來將鍋爐的工作狀況給有效的反映出來，保證其不超出相關(guān)的規(guī)定范圍，或者在變化中呈現(xiàn)一定的規(guī)律。
通過調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，如今我國各個發(fā)電廠也在開始進行技術(shù)改革工作，火電廠的自動化程度越來越高。在自動裝置方面，我國傳統(tǒng)采用的組裝儀表已經(jīng)發(fā)展為先進的數(shù)字儀表，系統(tǒng)控制設備也得到了快速發(fā)展，通過一些小型計算機可以有效的監(jiān)督和控制機組的運行，通過CRT來顯示監(jiān)督結(jié)果，這樣就可以在很大程度上提高它的監(jiān)控水平。在應用控制和熱工保護方面，也取得了一系列的成績，在火電機組控制系統(tǒng)發(fā)展中，非常重要的一個方面就是開始采用協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，我國也開始將注意控制系統(tǒng)應用到大型發(fā)電機組和引進的發(fā)電機組中。通過這些技術(shù)革新，促使我國電廠熱工自動化控制得到了更好的發(fā)展。
二、DCS的主要發(fā)展方向
1、自律分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在火電廠熱工發(fā)展過程中，非常重要的一項控制系統(tǒng)就是自律分布式控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以滿足自律可控性，又可以滿足自律可協(xié)調(diào)性。自律可控性指的是如果有問題或者故障出現(xiàn)于系統(tǒng)中的任何一個部件系統(tǒng)，那么其余系統(tǒng)除了可以自我保護，還可以控制自身系統(tǒng)；自律可協(xié)調(diào)性指的是如果有問題出現(xiàn)于任何系統(tǒng)中，企業(yè)系統(tǒng)就可以對自身工作狀態(tài)進行協(xié)調(diào)控制。相較于目前的DCS，自律DCS具有很大的差異，目前主要有層次分布型系統(tǒng)和水平分布型系統(tǒng)兩種，如果有問題出現(xiàn)于前者的上位子系統(tǒng)內(nèi)，調(diào)節(jié)功能是無法由下位子系統(tǒng)來完成，但是下位子系統(tǒng)可以進行局部控制，這樣自律控制性就得到了實現(xiàn)；后者的部分子系統(tǒng)中出現(xiàn)了問題，并不影響到其他系統(tǒng)的正常工作，但是在這種情況，信息無法在各個系統(tǒng)中實現(xiàn)交換，這樣雖然協(xié)調(diào)性可以實現(xiàn)，控制性卻無法滿足。如果采用傳統(tǒng)的集中式系統(tǒng)，因為控制器只有一個，那么就會出現(xiàn)諸多問題。
2、EIC綜合技術(shù)
EIC分別是三個裝置的簡稱，分別是電氣控制裝置、儀表控制裝置和計算機控制裝置，在傳統(tǒng)的發(fā)電控制中，這三個裝置都是獨立的，安裝也是分別進行的，而如今隨著科學技術(shù)的革新，國家開始應用了EIC綜合技術(shù)，有機結(jié)合了三種裝置，在規(guī)劃時，可以由DCS來統(tǒng)一進行；在未來一段時期內(nèi)，還需要進行深入的研究，從配套軟件和硬件方面來努力，并且設計相關(guān)的編碼，應用到綜合系統(tǒng)組，來提高綜合技術(shù)的控制能力。
3、現(xiàn)場總線
通過研究發(fā)現(xiàn)，在DCS發(fā)展中，非常重要的一個方向就是現(xiàn)場總線FB，F(xiàn)B作為一條重要的通信線路，由DCS所控制，可以將那些干擾以及不良影響給排除掉。通過FB可以有效連接現(xiàn)場的所有智能設備，比如智能變送器、智能執(zhí)行機構(gòu)等等，這樣控制電纜的數(shù)量就可以得到大大的減少，以往通過長線傳輸出現(xiàn)的各種問題也可以得到有效減少，比如信號不良、信號差異等。通過現(xiàn)場總線的應用，可以更好的管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高現(xiàn)場設備運行的智能化程度，更好的維護發(fā)電控制設備。
4、過程儀表控制
隨著DCS的廣泛使用，常規(guī)控制儀器只有較小的使用范圍，目前在大型機組上設置的儀器表數(shù)量越來越少，記錄表也不再安裝。如今開始應用IGS，也不需要將儀表盤應用在現(xiàn)代中央控制室。今后一段時期的發(fā)展趨勢是在FB支持下，對各種智能變送器以及智能器等進行使用，這樣就可以促使儀器更好的運行；這些裝置可以找出在設備運行過程中以及設備停止運行過程中所出現(xiàn)的任何問題，并且進行分析和解決，促使儀器在一個良好的環(huán)境內(nèi)運行。在社會飛速發(fā)展過程中，環(huán)境問題日益嚴重，環(huán)境保護已經(jīng)被提上了日程，出現(xiàn)了越來越多的儀器來監(jiān)控發(fā)電廠污染物的排放量，但是這些設備有著比較復雜的結(jié)構(gòu)，并且需要較高的造價成本，那么就會增加實際使用和維護的難度。并且因為這些技術(shù)面世不久，在專業(yè)技術(shù)人才方面還比較的缺乏，我國也沒有詳細介紹這些先進的儀器，國外在相關(guān)資料方面也比較的欠缺，那么就會對設備的廣泛應用產(chǎn)生限制作用，不僅會造成大量的資金和人力的浪費，還會威脅到環(huán)境，需要引起相關(guān)人員的重視。
結(jié)束語
作為新型的控制技術(shù)，熱工自動化控制具有無可比擬的優(yōu)越性，發(fā)展前途光明。在使用前，合理的設計是不可少的。我們要立足國情，研發(fā)與我國現(xiàn)實情況相協(xié)調(diào)的熱工自動化控制，提高操作性。
摘要：在科技飛速發(fā)展的今天，熱工自動化系統(tǒng)也得到了快速發(fā)展，逐漸實現(xiàn)了高速化、智能化和透明化。在火電廠中應用熱工自動化控制，可以充分利用故障信息，更好的處理故障，還可以對各個控制系統(tǒng)進行控制，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性?；诖耍疚木妥詣涌刂评碚撛诨痣姀S熱工自動化中的應用進行了探討。
關(guān)鍵詞：自動控制理論；火電廠；熱工自動化；應用
一、熱工自動化概述
1、概念淺析
在傳統(tǒng)的火電廠的參數(shù)操作中，都需要人力進行測量與控制。熱工自動化應用于火電廠解放了人力，在自動化控制裝置、自動化儀表的幫助下，實現(xiàn)了對火電廠熱力參數(shù)的無人直接參與、無人控制的現(xiàn)實，以自動化保護、自動化報警與自動化控制滿足處理信息的需求。可見，熱工自動化是火電廠熱力參數(shù)的智能控制系統(tǒng)。除了人力的解放外，火電廠應用熱工自動化控制也提高了保障熱工設備的安全等級，避免了工作人員不必要的勞動，機組經(jīng)濟性與工作效率大大提升，是優(yōu)化工作環(huán)境條件的重要系統(tǒng)?？梢哉f，火電廠的現(xiàn)代化是以熱工自動化為前提的。
2、熱工自動化在火電廠的應用現(xiàn)狀
新時期，各企業(yè)都在追求自動化以提高生產(chǎn)力、降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)效益的最大化。熱工自動化應用于電力企業(yè)中，為電力行業(yè)注入了新的活力，也是在火電發(fā)電過程中，一步一步由無到有的過程。當前，自動保護、自動控制、自動檢測與自動報警是熱工自動化的重要組成。首先，自動檢測。即通過自動化儀表對熱工參數(shù)，例如熱工環(huán)節(jié)的流量、壓力溫度、液位與成分等獨立完成測量，排除了工作人員的參與。在火電廠運作過程中，若存在問題與不足，自動檢測裝置也能有效的探測到，并立刻調(diào)整火電廠運作參數(shù)。其次，自動控制?？蓪崿F(xiàn)自動調(diào)節(jié)與運行火電廠機組的設備或過程，保證經(jīng)濟性與安全性的機組運作。第三，自動報警?；痣姀S機組在無人參與情況下若出現(xiàn)參數(shù)的控制偏離，則自動報警裝置將向工作人員發(fā)出警告提示，做好及時糾正、調(diào)整，避免重大事故與故障的出現(xiàn)。第四，自動保護。此功能在于自我控制與修整。如果設計參數(shù)無法滿足實際設備運行條件或熱工參數(shù)比限定值大，那么裝置將自動終止工作，防止事故進一步擴大，避免不必要的損傷。
在各領域的技術(shù)革新面前，火電廠熱工自動化有較大的進步。從自動裝置角度分析，數(shù)字儀表在進一步的取代組裝儀表的地位，系統(tǒng)控制設備的改善步伐也在加快。小型計算機也應用到了機組工作當中，進行控制與監(jiān)督作業(yè)。CRT顯示的配設，很大程度提高了監(jiān)控水平。熱工保護、局部應用控制也存在很大程度上的更新。在大型火電機組中，較多的應用了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，可以說，火電廠的熱工自動化控制系統(tǒng)是在社會科技進步下的“水漲船高”，未來火電廠的熱工自動化還將有更大的進步。
二、自動化控制系統(tǒng)的作用
自動化控制系統(tǒng)是一個以控制器和網(wǎng)絡為基礎的自動化系統(tǒng)，理論上它們極有可能擴展更高的管理信息系統(tǒng)。然而事實上，DCS采用的是分布式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，它的控制器既可以采用傳統(tǒng)的DCS控制器。也可以使用新型的PLC等其他類型的控制設備。
在自動化控制系統(tǒng)數(shù)年的發(fā)展過程中，積累沉淀了大量先進的算法模塊。比如對于NT6000這樣一個具有設備級的計算模塊的系統(tǒng)，它的計算模塊能夠集中完成基本的設備控制和故障報警的功能。且該模塊的網(wǎng)絡通信單元的功能也已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)，這項技術(shù)使得軟件開發(fā)的效率大大提高。其中一個設備級的計算模塊和0.5K的梯形圖的邏輯量是相等的，如果要還有PLC來完成同樣的功能，程序流程就會變得非常煩瑣。PLC缺乏在下載修改，運行調(diào)試，遠程診斷等方面的解決方案。由于中國開始逐步放寬電力供應以及更加重視節(jié)能降耗，對于火力發(fā)電行業(yè)的結(jié)構(gòu)的調(diào)整采取了大力度的方案措施。預計在“十一五”期間就對“關(guān)小”步伐不斷加速，到“十一五”的末期，一共將會關(guān)掉四千萬千瓦的小火電廠。這一舉措使得我國電力工業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了一個極大的變化。
三、DCS的主要發(fā)展方向
1、自律分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在火電廠熱工發(fā)展過程中，非常重要的一項控制系統(tǒng)就是自律分布式控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以滿足自律可控性，又可以滿足自律可協(xié)調(diào)性。自律可控性指的是如果有問題或者故障出現(xiàn)于系統(tǒng)中的任何一個部件系統(tǒng)，那么其余系統(tǒng)除了可以自我保護，還可以控制自身系統(tǒng)；自律可協(xié)調(diào)性指的是如果有問題出現(xiàn)于任何系統(tǒng)中，企業(yè)系統(tǒng)就可以對自身工作狀態(tài)進行協(xié)調(diào)控制。相較于目前的DCS，自律DCS具有很大的差異，目前主要有層次分布型系統(tǒng)和水平分布型系統(tǒng)兩種，如果有問題出現(xiàn)于前者的上位子系統(tǒng)內(nèi)，調(diào)節(jié)功能是無法由下位子系統(tǒng)來完成，但是下位子系統(tǒng)可以進行局部控制，這樣自律控制性就得到了實現(xiàn)；后者的部分子系統(tǒng)中出現(xiàn)了問題，并不影響到其他系統(tǒng)的正常工作，但是在這種情況，信息無法在各個系統(tǒng)中實現(xiàn)交換，這樣雖然協(xié)調(diào)性可以實現(xiàn)，控制性卻無法滿足。如果采用傳統(tǒng)的集中式系統(tǒng)，因為控制器只有一個，那么就會出現(xiàn)諸多問題。
2、EIC綜合技術(shù)
EIC分別是三個裝置的簡稱，分別是電氣控制裝置、儀表控制裝置和計算機控制裝置，在傳統(tǒng)的發(fā)電控制中，這三個裝置都是獨立的，安裝也是分別進行的，而如今隨著科學技術(shù)的革新，國家開始應用了EIC綜合技術(shù)，有機結(jié)合了三種裝置，在規(guī)劃時，可以由DCS來統(tǒng)一進行；在未來一段時期內(nèi)，還需要進行深入的研究，從配套軟件和硬件方面來努力，并且設計相關(guān)的編碼，應用到綜合系統(tǒng)組，來提高綜合技術(shù)的控制能力。
3、現(xiàn)場總線
通過研究發(fā)現(xiàn)，在DCS發(fā)展中，非常重要的一個方向就是現(xiàn)場總線FB，F(xiàn)B作為一條重要的通信線路，由DCS所控制，可以將那些干擾以及不良影響給排除掉。通過FB可以有效連接現(xiàn)場的所有智能設備，比如智能變送器、智能執(zhí)行機構(gòu)等等，這樣控制電纜的數(shù)量就可以得到大大的減少，以往通過長線傳輸出現(xiàn)的各種問題也可以得到有效減少，比如信號不良、信號差異等。通過現(xiàn)場總線的應用，可以更好的管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高現(xiàn)場設備運行的智能化程度，更好的維護發(fā)電控制設備。
4、過程儀表控制
隨著DCS的廣泛使用，常規(guī)控制儀器只有較小的使用范圍，目前在大型機組上設置的儀器表數(shù)量越來越少，記錄表也不再安裝。如今開始應用IGS，也不需要將儀表盤應用在現(xiàn)代中央控制室。今后一段時期的發(fā)展趨勢是在FB支持下，對各種智能變送器以及智能器等進行使用，這樣就可以促使儀器更好的運行；這些裝置可以找出在設備運行過程中以及設備停止運行過程中所出現(xiàn)的任何問題，并且進行分析和解決，促使儀器在一個良好的環(huán)境內(nèi)運行。在社會飛速發(fā)展過程中，環(huán)境問題日益嚴重，環(huán)境保護已經(jīng)被提上了日程，出現(xiàn)了越來越多的儀器來監(jiān)控發(fā)電廠污染物的排放量，但是這些設備有著比較復雜的結(jié)構(gòu)，并且需要較高的造價成本，那么就會增加實際使用和維護的難度。并且因為這些技術(shù)面世不久，在專業(yè)技術(shù)人才方面還比較的缺乏，我國也沒有詳細介紹這些先進的儀器，國外在相關(guān)資料方面也比較的欠缺，那么就會對設備的廣泛應用產(chǎn)生限制作用，不僅會造成大量的資金和人力的浪費，還會威脅到環(huán)境，需要引起相關(guān)人員的重視。
結(jié)束語
作為新型的控制技術(shù)，熱工自動化控制具無可比擬的優(yōu)越性，發(fā)展前途光明。在使用前，合理的設計是不可少的。我們要立足國情，研發(fā)與我國現(xiàn)實情況相協(xié)調(diào)的熱工自動化控制，提高操作性。
摘要：為提高信電類自動化專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，提升自動控制理論教學效果，依托虛實結(jié)合實踐教學平臺，結(jié)合浙江大學城市學院信電分院學科特點和學生情況，大力改革自動控制理論內(nèi)容體系和課程體系，基于知識應用，借助計算機虛擬仿真工具和實驗平臺，構(gòu)建了層次型的虛實結(jié)合體系構(gòu)架，并在實踐中進行課程的相關(guān)建設和課程教學改革，提升了學生參與度，提升了課程的教學效果。
關(guān)鍵詞：虛實結(jié)合；自動控制理論；課程體系；層次型
【中國分類法】：TP13
自動控制理論課程是電氣信息類自動化專業(yè)學生的重要專業(yè)基礎課程,是自動控制系統(tǒng)、過程控制、智能控制等專業(yè)課程的先修課程。該課程理論性、系統(tǒng)性和綜合性都很強，涉及到多學科的交叉。通過理論課程的學習，培養(yǎng)學生分析、設計控制系統(tǒng)的能力。為后續(xù)專業(yè)課程的學習打下堅實的基礎。浙江大學城市學院的學生理論基礎薄弱，對理論課程的學習有畏難情緒，傳統(tǒng)“滿堂灌”的教學方法，忽視啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維、分析和解決實際問題能力的培養(yǎng)，使得學生缺乏學習的主動性，教學教過欠佳，影響后續(xù)課程的學習。這門課的教學模式有必要進行改革，本課程組老師將貫徹“基于應用知識應用”的教學理念，探索新的教學方法，基于信息與電氣學院虛實結(jié)合的實驗平臺在自動控制理論教學中開展虛實結(jié)合的課程教學模式，并緊密結(jié)合實際應用，希望能夠通過模式的探索和實踐提高學生的學習興趣、激發(fā)學生積極思維、培養(yǎng)學生能力，大力推動和促進自動控制理論課程的教學質(zhì)量的提高，并影響和輻射其他課程的教學改革。
一．削枝強干,構(gòu)架內(nèi)容體系
課程的教學重點在于如果引導學生對樹立控制系統(tǒng)的系統(tǒng)概念、掌握三種數(shù)學模型的建立及其相互轉(zhuǎn)換關(guān)系、掌握時域、復域、頻率的三種分析方法、進行實際系統(tǒng)的性能分析和校正設計。難點在于系統(tǒng)分析和綜合設計。以前系統(tǒng)都是介紹理論知識為主，比較注重知識的理論推導和證明，數(shù)學推導復雜，手工繪圖比較繁瑣；從歷屆學生學習狀況看，學生比較被動、課程學習枯燥、興趣不高。針對以上情況，課程組根據(jù)課程特點和自動控制理論體系的特點，梳理了課程的知識體系。
整合與前續(xù)課程“電路原理”、“電子技術(shù)”、“電機拖動”和后續(xù)課程“交直流調(diào)速”、“計算機控制”、“智能控制”、“控制系統(tǒng)設計”等課程的內(nèi)容，遵循與前續(xù)課程內(nèi)容不重復、對后續(xù)課程所用的知識點不遺漏的原則；同時根據(jù)自動控制理論自身的內(nèi)在體系，“加強基礎、削枝強干”，以系統(tǒng)建模-系統(tǒng)分析-系統(tǒng)綜合為總線索，在每章中再以“時域”、“復域”、“頻域”等方法為子線索，以“三性（穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)特性、動態(tài)特性）”為基本框架組織教學內(nèi)容、實現(xiàn)模塊化教學，加強基礎、突出主線。
二．構(gòu)建計算機輔助教學構(gòu)建“1+1”理論課程體系
基于計算機仿真輔助教學的“1+1”理論課程體系，1門核心理論知識教學課程（自動控制理論課程68學時）配套一門1門計算機仿真工具輔助教學（系統(tǒng)建模與仿真32學時）。隨著計算機技術(shù)、課程組老師與時俱進，不斷地更新陳舊的教育思想和理念，賦予新的內(nèi)容和創(chuàng)新，近年來，有別于研究型大學，針對應用型本科院校學生，為了輔助該課程的學習，形成一個核心“自動控制理論”、一個輔助工具“系統(tǒng)建模與仿真”的控制理論教學體系。輔助工具也可供學生課外自學，兩個模塊的知識模塊相對應，一個是抽象的理論知識，一個是可視化的MATLAB仿真分析，兩者相配套。有效改變傳統(tǒng)的單一自動控制理論抽象教學。
三．基于應用的虛實結(jié)合的層次型“4+1+3”實踐教學體系構(gòu)建
實驗實踐是加深學生感性認識、驗證所學理論、培養(yǎng)動手能力的重要環(huán)節(jié)，針對應用型本科院校學生的特點，課程組精心設計了層次型的立體實踐教學?？v深方向?qū)崟r層次遞進性的實驗實踐教學，在時間上，實施，課內(nèi)與課外結(jié)合的方式。
層次型的“4+1+3”課內(nèi)實驗實踐教學體系，形成“基礎驗證實驗”――“綜合設計實驗”――“工程應用實驗”――“創(chuàng)新提升應用”4個層次，同時借助1個“虛擬仿真技術(shù)”、3個技術(shù)手段“計算機控制、單片機控制、PLC控制”技術(shù)，實現(xiàn)4個層次的虛擬仿真、虛實結(jié)合的實驗實踐教學特點。
“自動控制理論實驗”定位于基礎驗證實驗，課程組織形式為“虛實結(jié)合”，教師指導和學生自主學習相結(jié)合的形式。教師指導方采用各實驗項目過思考題的形式，啟發(fā)學生的思考和提問，在指導中采用虛實對比的方法。“自動控制課程設計”定位于綜合設計，課程組織形式為學生自主設計，采用課內(nèi)外結(jié)合的方式，進行仿真設計及實物調(diào)試兩種形式進行實踐。教師指導方式為教師講授相關(guān)的資料和方法，學生綜合應用，并自行完成相關(guān)綜合性設計，過程中采用研討式和問題式的方法?！翱刂葡到y(tǒng)設計”定位于工程應用，課程組織形式采用實物制作的模式，教師進行方法指導，學生自主設計實現(xiàn)，教師指導方式為工程設計過程由教師引導，具體各環(huán)節(jié)學生自主實施。“系統(tǒng)建模與仿真實驗”定位于計算機輔助工具，課程組織形式采用“教師指導”和“學生自學”結(jié)合，“學生自學”和“教師點撥”結(jié)合的形式，教師指導方式采用“學生上課式“和”老師總結(jié)式“的形式，學生以團隊形式自行準備實驗內(nèi)容，完成相關(guān)實驗內(nèi)容，教師進行總結(jié)、評定和考核。
四.總結(jié)
根據(jù)學院虛實結(jié)合的實驗平臺，對“自動控制理論”課程的內(nèi)容體系、理論課程體系和實踐課程體系進行梳理，基于知識應用，借助計算機虛擬仿真工具和實驗平臺，形成了層次型的虛實結(jié)合體系構(gòu)架，并在實踐中進行課程的相關(guān)建設和課程教學改革，提升了學生參與度，同時感受到知識應用的樂趣。課程組在以后的教學實踐中將會在此體系構(gòu)建的基礎上深入開展各項教學改革，深入貫徹虛實結(jié)合的應用理念。
作者簡介：
杜鵬英（1978－），女，浙江杭州，碩士，副教授，信息與電氣學院實驗中心副主任、自動化系副主任，研究方向為應用電子、智能控制。
摘要：“自動控制理論”是自動化專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課，在高校本科自動化專業(yè)的所有課程中起著承前啟后的作用，是自動化專業(yè)的一塊敲門磚。對于這樣一門舉足輕重的課程，研究教學方法和教學手段，提高教學質(zhì)量具有重大的意義。結(jié)合實際教學中的經(jīng)驗，對自動控制理論課程的教學方法進行了研究和實踐。
關(guān)鍵詞：自動控制理論；教學方法；教學手段
作者簡介：曹敏（1976-），女，貴州習水人，貴州大學電氣工程學院，副教授；徐凌樺（1976-），男，貴州貴陽人，貴州大學電氣工程學院，副教授。（貴州?貴陽?550025）
“自動控制理論”是自動化專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課，由于其理論性強，涉及知識面廣，與先修課程聯(lián)系緊密，容易讓學生產(chǎn)生畏難情緒。然而，該門課程又是自動化專業(yè)的一塊敲門磚，能否扎實掌握該門課程所學內(nèi)容，直接影響到對后續(xù)專業(yè)課程的學習和理解，而且，該課程同時也是自動化類碩士研究生的必考科目之一。為此，結(jié)合近幾年的教學實踐經(jīng)歷，筆者對自動控制理論課程的教學方法和教學手段進行了探討。
一、講在所有授課內(nèi)容之前
由于“自動控制理論”這門課程在整個自動化專業(yè)本科知識體系中占據(jù)了重要的一席之地，因此，在講授該門課程之前，對課程在本專業(yè)的地位、教學目的、考核方式等等做一個簡要的介紹極其必要。在講授所有具體內(nèi)容前，事先告知該門課程有什么用，并用通俗易懂的話簡要概括課程所要講授的內(nèi)容，讓學生了解該課程在整個專業(yè)學習中所占據(jù)的地位，需要用到哪些已經(jīng)所學的知識以及將對之后要學習的專業(yè)課程的貢獻等等。另外，還可對課程的學習方法及考核方式等問題一一簡要介紹。這樣做，一方面避免了學生學習的盲目性，解決了學生“為何要學這門課程”的問題，減輕同學的畏難心理，另一方面也強調(diào)了課程的重要性，有助于學生樹立學習這門課程應具有的正確學習態(tài)度，增強對課程的重視程度。
二、“自動控制理論”在自動化專業(yè)的課程地位
“自動控制理論”是本科自動化專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課，其在整個自動化專業(yè)課程體系中所占據(jù)的地位，簡單說來就是“承前啟后”。
由于課程主要講授分析和構(gòu)建自動控制系統(tǒng)的理論和方法，需要用數(shù)學手段抽象出由實際物理器件或由各種電子元器件搭建而成的系統(tǒng)的數(shù)學模型，從而要用到高數(shù)、工數(shù)、電路、電機、模電、數(shù)電等知識。因此在學習該門課程之前，學生應已先修“高數(shù)”、“工數(shù)”、“電路原理”、“電機與拖動”、“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”等課程。
此外，作為自動化專業(yè)的專業(yè)基礎課，“自動控制理論”又為后繼課程所用。如以電機為主要研究對象的運動控制系統(tǒng)、以各種具體生產(chǎn)過程為研究的過程控制系統(tǒng)，以及以單片機、工控機、PLC為核心控制器的計算機控制系統(tǒng)等常會使用傳遞函數(shù)來描述系統(tǒng)的數(shù)學模型，并使用時域或頻域法來分析系統(tǒng)的性能，衡量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又或是對具體的各種控制系統(tǒng)使用“自動控制理論”的方法來對系統(tǒng)進行設計。由此可見，“自動控制理論”是自動化專業(yè)的一塊敲門磚，是一門不可或缺的專業(yè)基礎課。
三、“自動控制理論”的課程內(nèi)容
盡管“自動控制理論”理論性強，內(nèi)容多，涉及面廣，概念抽象，且知識環(huán)環(huán)相扣，其以線性系統(tǒng)為主要研究對象，囊括了自動控制系統(tǒng)的基本概念、系統(tǒng)數(shù)學模型的建立及簡化、線性系統(tǒng)的時域分析、系統(tǒng)的根軌跡、系統(tǒng)的頻域分析、系統(tǒng)的校正及離散系統(tǒng)等內(nèi)容?？雌饋韮?nèi)容紛繁復雜，且與先修的多門課程聯(lián)系緊密，但總的說來，該課程講述了兩個內(nèi)容：一是自動控制系統(tǒng)的分析，而另一個內(nèi)容就是自動控制系統(tǒng)的綜合（設計）。要講述第一個內(nèi)容，那就先要了解什么是自動控制系統(tǒng)，它是由什么組成的，對于組成它的各個環(huán)節(jié)有哪些專有稱謂等等；接著在了解了自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成后，要分析系統(tǒng)，則需要建立系統(tǒng)的數(shù)學模型；之后便是用時域法、根軌跡及頻域法等來分析系統(tǒng)。而對于第二個內(nèi)容，控制系統(tǒng)的綜合，則是設計出滿足相關(guān)性能指標的自動控制系統(tǒng)。當系統(tǒng)不滿足性能時，則考慮通過增加校正環(huán)節(jié)來對系統(tǒng)進行調(diào)整，以使設計出的系統(tǒng)滿足要求。由此，“自動控制理論”的內(nèi)容可簡要概括如下：
系統(tǒng)分析：系統(tǒng)的概念；系統(tǒng)數(shù)學模型；系統(tǒng)的時域分析；系統(tǒng)的根軌跡分析；系統(tǒng)的頻域分析。系統(tǒng)綜合：系統(tǒng)的校正方法；系統(tǒng)的校正。
以上這些內(nèi)容，可深可淺，具體的章節(jié)內(nèi)容安排還應與采用的教學手段、教學方法以及課程的學時數(shù)安排等相結(jié)合，制作出既不偏離“自動控制理論”主體內(nèi)容，又符合培養(yǎng)學生掌握學習方法激發(fā)學習興趣要求的課程內(nèi)容。
四、“自動控制理論”課程教學中所采用的教學手段
1.張弛有度的多媒體教學
隨著現(xiàn)代化教學模式的引進，各種多媒體教學課件涌入課堂，授課教師從繁重的傳統(tǒng)板書教學中解脫出來，節(jié)省了課堂時間。然而，過分依賴于多媒體課件，常常會導致課堂節(jié)奏快，學生對所學知識印象流于表面。并且由于節(jié)省了板書時間，課堂的知識量無形中會加大，學生常來不及對各個知識點進行深入思考并理解掌握。尤其對于“自動控制理論”課程來說，需要推導大量的定理、公式及法則等，若這些工作都只靠課件來完成，學生則處于被動接受知識的狀態(tài)，其學習效果可見一斑。眾所周知，人接受理解并掌握新事物、新知識需要一個過程，且在此過程中通過積極思考、主動參與才會留下深刻印象，深入認知后方可舉一反三靈活應用。授課經(jīng)驗表明，將傳統(tǒng)的板書模式與現(xiàn)代化多媒體教學方法相結(jié)合，對于諸如系統(tǒng)數(shù)學模型的建立，系統(tǒng)分析及校正裝置的設計等重點內(nèi)容通過板書、應用啟發(fā)引導進行推導演算的互動式教學更有助于學生對知識的掌握理解，提高學習效果培養(yǎng)其計算分析能力和解決問題的能力。現(xiàn)代化多媒體教學手段在“自動控制理論”課程中的使用要張弛有度并與其他教學手段相結(jié)合方能起到最佳教學效果。
2.主干清晰的宏觀教學
“自動控制理論”具有理論性強，內(nèi)容豐富，涉及面廣，概念抽象，環(huán)環(huán)相扣，與數(shù)學聯(lián)系緊密且需要較強的計算能力等特點，容易讓學生產(chǎn)生厭學、棄學情緒。因此，在講授具體知識之前，用通俗易懂的一兩句話從宏觀角度高度概括課程內(nèi)容，事先讓學生對“自動控制理論”有一個整體的認知，解決“這門課有什么用”，“需要用到哪些已經(jīng)學過的知識”，“主要講什么內(nèi)容”，“為后繼哪些課程服務”等問題，有助于學生樹立對課程的整體觀念，避免知識片面、孤立。而每堂課開始使用幾分鐘的時間對所講內(nèi)容進行概括性簡介，指出所授知識點難點及重點，既有助于學生抓住主干，理清思路，又可讓他們在學習的過程中有目的地去構(gòu)建相關(guān)知識，提高其課堂注意力。
事實上，從宏觀上說控制理論主要圍繞著系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能三方面敘述了以線性反饋控制系統(tǒng)的系統(tǒng)分析及設計兩大內(nèi)容。有了這個整體概念，在宏觀教學思想的指導下，可將課程內(nèi)容自上而下地劃分為幾大模塊，在講授過程中，從模塊用途開始，逐步細化模塊知識，層層分解，直至各個末枝細節(jié)，最后確定各個模塊在主干中所處的位置，與其他模塊之間的關(guān)聯(lián)狀況等。即由主干梳理到具體知識的精分，又由知識濃縮到課程主干的提取。教學經(jīng)驗表明，這種主干――枝葉――主干的教學方式，有助于加深學生用整體統(tǒng)一的思想將控制原理的知識體系融會貫通，把彼此相互聯(lián)系的概念、觀點源源不斷地納入一個統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)中并進行合理的分門別類。通過主干，構(gòu)造了“自動控制理論”課程的框架，學生學習的過程則是對這個框架不斷充實的過程，最終，學完課程后，學生則能思路清晰地總結(jié)出課程主要內(nèi)容，梳理出課程的主干，避免只學到零碎的知識片段。
3.提問+回答式的互動教學
在教學活動中，學生是永遠的主體。如何調(diào)動學生的學習積極性，把他們由被動學習轉(zhuǎn)變成主動探究，是授課教師義不容辭的責任。為此，在教學過程中，筆者常根據(jù)所要講授的內(nèi)容，提出一些緊密相關(guān)的問題，讓學生進行討論分析，引導他們解決問題，總結(jié)出問題的答案并進行回答。最后教師會就問題再次進行歸納和總結(jié)。此外，在每次課講解新的內(nèi)容前，對于已經(jīng)學習過的知識，花5～8分鐘的時間，讓一名學生對上次所學知識進行簡要的回顧，并由其余同學對其進行提問，對于回答不完善或不正確的，可由提問者進行補充回答或糾正。教學經(jīng)驗表明，采用這種方式進行授課更有助于學生對所學知識的理解及掌握，且印象深刻，加強了師生間以及同學間的相互交流，有利于各種創(chuàng)新思維的迸發(fā)，同時也調(diào)動了學生的學習積極性，增加了他們的學習信心，培養(yǎng)了他們分析并解決問題的能力以及歸納總結(jié)和語言表達的能力。
4.學生自主式學習的課堂教學
“自動控制理論”涵蓋內(nèi)容多，如果在教學中一味采用以教師為主體的填鴨式教學，則在無形中助長了學生棄學、厭學的思想，壓制了其主觀能動性及思維的創(chuàng)新性發(fā)展，不利于其學習能力的培養(yǎng)。為了激發(fā)學生的學習主動性，筆者在教學中采用了以學生為主的課堂教學方式。即把學生分成幾組，分別選取“自動控制理論”中易于讀懂的章節(jié)知識在課下進行學習并制作相應的課件，然后在課堂上選取一名小組成員配以自制的課件來向全體同學傳授知識。其余小組成員可以進行補充，而其他同學則可以就不清楚不明白的地方向該小組同學進行提問。教師根據(jù)每組同學的情況會給出相應分數(shù)，并將其計入“自動控制理論”課程的總成績中。教學效果表明，學生們在課堂上更為活躍，這種授課方式大大增加了學生的學習主動性，使學生在自主學習的過程中去真正體會學習――理解――掌握知識的過程。通過教師對學生的鼓勵、支持及肯定，則進一步增強了他們的學習情緒和自信心，同時還培養(yǎng)了他們的團隊合作精神。反過來，從這種以學生為主的課堂教學中，學生在課堂中所展示出的各種創(chuàng)造性思維則為思維幾乎已經(jīng)模式化的教師開辟了新的天地，更有助于教師自身教學水平的提高。這種良性互動，正是教學過程中喜聞樂見的。
五、結(jié)束語
教學方法的探索和教學模式的改革是教學過程中永恒的話題，“自動控制理論”是自動化專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課，筆者經(jīng)過多年的教學實踐，總結(jié)出以上一些教學方法并進行了實施，獲得了一定的效果。為提高教學質(zhì)量，在今后的教學實踐中，只有不斷擴充新的方法，不斷總結(jié)，不斷改進，才能更好地引導學生掌握相關(guān)知識，為后繼課程夯實基礎。
摘要：自動控制理論課程是電子類專業(yè)的基礎課程，包括自動控制原理的經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩部分。為適應新形勢下自動控制理論的教學，同時為配合學院對自動化學科的建設，我們在總結(jié)本課程教學經(jīng)驗的基礎上借鑒兄弟院校的教學成果對自動控制理論的教學進行了一些改革初探。
關(guān)鍵詞：自動控制理論 教學改革 人才培養(yǎng)
引言
我院是一所高職高專院校，培養(yǎng)適合市場需求的技術(shù)應用型人才，教研室針對我校生源數(shù)學基礎相對薄弱的特點，明確提出“優(yōu)化基礎，淡化計算”的教學改革指導思想，根據(jù)實際自動控制工程所需的知識點對自動控制原理課程體系進行改革初探，以實現(xiàn)將專業(yè)基礎課程融入專業(yè)課程，為專業(yè)課程服務的目標。
“優(yōu)化基礎，淡化計算”，即強化該課程為專業(yè)課程服務的理念，根據(jù)高職高專電子類專業(yè)的特點，以及在實際控制工程中的需求，來構(gòu)建課程的知識模塊體系，同時以人為本，根據(jù)高職高專學生的基礎狀況優(yōu)化模塊內(nèi)容，適度引入學科新成果，根據(jù)實際控制工程的需求、后續(xù)專業(yè)課程的調(diào)整，控制本課程的知識點和知識深度，以培養(yǎng)學生的綜合能力。
1、課程改革的原因分析
自動控制理論課程是高職高專類院校中自動化、電子、通信專業(yè)的重點課程，目前在教學中普遍存在問題，課程內(nèi)容中的復雜運算使學生對本門課程普遍感到難以掌握，學習興趣降低，未能達到預期的教學效果。
自動控制理論課程作為我院汽車電子技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，在本專業(yè)的課程體系中占據(jù)著重要的地位，是銜接基礎課和專業(yè)課的一門紐帶課程。本課程的教學內(nèi)容涉及數(shù)學分析方法，要求學生的數(shù)學基礎知識要扎實全面，但是我院學生的數(shù)學基礎普遍較差，在學習過程中，遇到了很大的困難，因此導致學生學習興趣下降，教學效果不佳。對于本門課程的改革勢在必行。
2、課程改革的內(nèi)容
自動控制原理對于高職高專學生來說，因為許多數(shù)學公式的抽象性往往成為他們的學習障礙。我們在設計教學方法時，按照“淡化計算，注重應用”的原則，力求找準高職學生的思維節(jié)奏，多角度全方位的建立自動控制原理的思維模式。
2.1 教學內(nèi)容的改革
優(yōu)化課程內(nèi)容體系是化解教學難點的重要措施，我們的做法是：貫徹“優(yōu)化基礎，淡化計算”的教學改革指導思想，樹立專業(yè)基礎課為專業(yè)課程服務、以學生為本的理念，對課程的各章節(jié)進行獨立化模塊化處理，使其貼近學生。講清每一個基本概念，讓抽象概念現(xiàn)實化，講解分析方法，使學生感到自動控制原理不再是一門純理論的課程，增加學生對這門課的興趣，淡化具體的計算過程，使學生感到本課程簡單易學。
在理論教學中，以增加學生可接受度為目標，改革傳統(tǒng)的講授方法，我們教學中采用的典型方法有：
（1）感性化的基本概念。在介紹基本概念時，不再以嚴格“定義”的形式出現(xiàn)，而是通過實際控制系統(tǒng)直觀感性的描述，輔助以各種背景材料，順勢引入，減少基本概念的抽象。
（2）抽象基本原理的形象化描述。尊重學生學習的習慣性和情理性思維，對基本原理的講解，注重使用更加形象生動、通俗易懂的語言去演繹。
（3）突出重點，重視難點。教學實踐中，對重點內(nèi)容和重要的基本概念要多花點時間來講解，力求講透講清楚，并且適時的加以回顧，使學生對重點部分的知識經(jīng)常保持清晰的印象。對一些難點，注意講解的邏輯性，以一條清晰的思路來引導學生，注重前后知識的連貫性，用前面的知識點為后面難點的化解作好鋪墊。
2.2 教學方法的改革
在課程教學內(nèi)容調(diào)整的基礎上如何使學生的理論水平與工程實際應用水平都得到提高，從而培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)，我們在教學中嘗試進行教學方法的改革與探索。
（1）采用啟發(fā)式的教學強化主線突出重點
充分應用啟發(fā)式教學來調(diào)動學生課堂教學的參與性和積極性。由于自動控制原理課程的理論性和抽象性，我們在教學中需要充分發(fā)揮學生的主觀能動性，讓學生自覺主動地獲取知識，適當采用提問回答法，討論法等啟發(fā)式教學方法，提高學生參與的意識，調(diào)動學生學習的積極性，激發(fā)學生的求知欲望，引導學生去思考、聯(lián)想和創(chuàng)新。
（2）貫徹少而精的原則激發(fā)學生的主動性
在課堂教學中注重教與學的互動過程，教師少講精講，鼓勵學生自學課程的重點內(nèi)容，然后進行課堂提問，對帶有普遍意義的問題或難點的問題事先布置課堂討論活動，是學生參與到主動學習中。為了更好的鞏固和提高教學效果，要求學生在課余時間完成綜合性題目，可以充分利用圖書館或網(wǎng)絡媒體查閱文獻，寫出總結(jié)報告并在課堂上組織交流。
3、結(jié)束語
以上是我們對自動控制理論課程進行的探索和改革工作，在更新教學理念以及不斷改進教學方法的基礎上，加強教學過程管理，規(guī)范教學質(zhì)量評價，從而保證了教學質(zhì)量和教學效果。今后我們將繼續(xù)對自動控制理論課程進行探索和改革使其更好地適應學生就業(yè)崗位對學生綜合素質(zhì)的要求。
作者簡介：魏虹（1984―），女，漢族，陜西銅川人，本科畢業(yè)于空軍工程大學電氣工程及其自動化專業(yè)，工作于西安汽車科技職業(yè)學院，助教，從事傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、汽車發(fā)動機電控技術(shù)的研究和課程教學。
【摘 要】隨著科學技術(shù)水平的不斷提高，自動化技術(shù)在我國電力事業(yè)中得到了廣泛的應用，并且對電力事業(yè)的發(fā)展起到了一定的促進作用?，F(xiàn)階段，我國對火力發(fā)電的研究正在逐漸加深，并且進行了一定的技術(shù)改革，火電廠熱工自動化技術(shù)已經(jīng)得到了很大的發(fā)展。隨著高新技術(shù)的快速發(fā)展，我國機組容量的不斷加大，火電廠熱工自動化技術(shù)得到了一定的發(fā)展與完善。
【關(guān)鍵詞】自動控制理論；火電廠；熱工自動化；應用
現(xiàn)階段，我國新建火電廠一般采用的都是自動化控制系統(tǒng)，以往常規(guī)控制系統(tǒng)也逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣踊刂葡到y(tǒng)。隨著自動化控制系統(tǒng)的快速推廣，其性價比越來越可觀，進而在工業(yè)生產(chǎn)與生活中得到了普遍的應用。本文主要對火電廠熱工自動化現(xiàn)狀進行分析，闡述自動化控制系統(tǒng)作用，介紹自動控制理論在火電廠熱工自動化中的實際應用。
1 火電廠熱工自動化現(xiàn)狀
首先，在火電廠熱工自動化領域中，主廠房基本上均使用DCS控制系統(tǒng)，而輔助車間均使用PLC控制系統(tǒng)。其主要原因就是，在早期的時候，DCS控制系統(tǒng)比較昂貴，并且人們認為輔助車間的作業(yè)是可以間斷的，不需要具備很強的可靠性，要求模擬控制量也相對較少，為了可以有效降低生產(chǎn)成本，一般均是使用PLC控制系統(tǒng)進行生產(chǎn)。而對于發(fā)電機、汽機、鍋爐等控制系統(tǒng)而言，均需要進行長時間的可靠運行，要求具有較好的模擬控制量，進而從系統(tǒng)性能方面考慮，一定要選擇DCS控制系統(tǒng)維持運行。
其次，在鍋爐燃燒過程中，一定要加強對AP論域的控制，也就是兩個運行周期的鍋爐壓力變化差論域。對燃燒周期進行自動調(diào)整，可以對燃燒速度進行有效的控制。同時鍋爐技術(shù)性能與煤質(zhì)均會影響控制效果。因為隸屬的函數(shù)曲線變化是互相交錯重疊的，所以，在進行實際控制的時候，一定要加強對鍋爐運行情況分析，保證其具有較強的適應性。
最后，在測量鍋爐汽包液位的時候，因為汽包液位系統(tǒng)缺乏平衡能力的被控對象。當供水量出現(xiàn)變化的時候，因為鍋爐傳遞給汽包的熱量是一致的，非常容易導致出現(xiàn)液體大量汽化的情況，致使汽包液位測量結(jié)果不準確。其主要存在兩種情況：一是，當供水量驟減或者出口蒸汽量增加的時候，其測量結(jié)果就會相對偏大；二是，當供水量驟增或者出口蒸汽量減少的時候，其測量結(jié)果就會相對減小，這也就產(chǎn)生了“汽包虛假液位”的現(xiàn)象。通常，在設計鍋爐汽包液位檢測回路的時候，經(jīng)常忽略這一問題，導致影響了鍋爐的正常運行。
2 自動化控制系統(tǒng)作用
首先，自動化控制系統(tǒng)主要就是在PLC控制系統(tǒng)與網(wǎng)絡的基礎上，形成的一種自動化系統(tǒng)，盡管其可以繼續(xù)向上擴展一些管理信息系統(tǒng)，但是也無法充分發(fā)揮其作用。事實上，DCS控制系統(tǒng)也是分布式控制系統(tǒng)的一種架構(gòu)模式，其控制器可以使用傳統(tǒng)DCS控制器，也可以使用PLC控制器，或者是其它類型的控制器。由此可以看出，PLC控制系統(tǒng)也是分布式控制系統(tǒng)的一種架構(gòu)模式。
其次，隨著社會的不斷發(fā)展與進步，出現(xiàn)了很多高級算法模塊，比如，NT6000模塊，其是一種具有設備極的模塊，在一個模塊上實現(xiàn)設備的控制與故障報警功能，并且在網(wǎng)絡通訊中，也可以實現(xiàn)模塊的相互傳遞。一個設備極模塊就好比是0.5K梯形圖編輯量，此時，要想讓PLC控制系統(tǒng)也具備此項功能，就要進行很多的復雜操作。在運行調(diào)試、下載修改、遠程診斷等方面，PLC控制系統(tǒng)無法進行有效的作業(yè)。而DCS控制系統(tǒng)可以進行有效的處理，并且通過多年的經(jīng)驗積累，其處理方案越來越完善。
最后，隨著我國電力事業(yè)的快速發(fā)展，國家對節(jié)能降耗工作越來越重視，火力發(fā)電行業(yè)也進行一定的調(diào)整。在發(fā)展火力發(fā)電行業(yè)的時候，一定要加強火電電源的建設，不斷優(yōu)化資源配置，合理布置電力輸送，保證我國所有地區(qū)供電的可靠性。并且在自動化控制技術(shù)方面投入了更多的研究力量，無論是資金投入，還是人員投入，促進了自動化控制技術(shù)的發(fā)展，進而在火力發(fā)電行業(yè)中得到了廣泛的應用，促進了火力發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展。
3 自動化控制理論在火電廠熱工自動化中的具體應用
3.1 主蒸汽壓力調(diào)節(jié)
主蒸汽壓力指的就是可以保證火電機組能夠安全運行的重要監(jiān)測參數(shù)，同時也是調(diào)節(jié)機組負荷與平衡鍋爐汽機能量的重要指標。在調(diào)節(jié)主蒸汽壓力的時候，主要就是利用鍋爐燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。鍋爐燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要包括：引風調(diào)節(jié)、燃料調(diào)節(jié)、送風調(diào)節(jié)。
調(diào)節(jié)主蒸汽壓力的策略就是基于能量平衡調(diào)節(jié)策略、基于給定值偏差和主蒸汽壓力調(diào)節(jié)策略。本文主要對后者進行分析。此調(diào)節(jié)策略主要包括兩種：單回路調(diào)節(jié)、雙回路調(diào)節(jié)。單回路調(diào)節(jié)指的就是在給定值偏差和主蒸汽壓力之間的調(diào)節(jié)，其控制信號就是燃煤量的調(diào)節(jié)偏差，具有一定的克服擾動能力差等不足，并且具有參數(shù)少、整定簡單等優(yōu)勢；雙回路調(diào)節(jié)指的就是在單回路調(diào)節(jié)的基礎上，增加對燃煤量的導前信號控制，在此調(diào)節(jié)過程中，無法有效整定內(nèi)外回路的參數(shù)，并且控制系統(tǒng)操作也比較麻煩，不過其也具有控制速度快、超調(diào)小等優(yōu)勢。
在進行導前信號選擇的時候，有很多的方法，主要分為兩種：一是，傳統(tǒng)方法： ，其中，D表示主蒸汽流量信號； 表示鍋爐蓄熱系數(shù)；Pd表示氣泡。二是，直接將燃煤量當成是導前信號。
3.2 熱工自動化技術(shù)
熱工自動化技術(shù)主要就是利用控制理論、智能儀表、信息技術(shù)、計算機技術(shù)、熱能技術(shù)等相關(guān)技術(shù)，對熱力學參數(shù)展開一定的控制與檢測，進而實現(xiàn)對生產(chǎn)過程對控制、檢測、調(diào)節(jié)、整理、優(yōu)化，進而達到安全生產(chǎn)，實現(xiàn)生產(chǎn)產(chǎn)量的提高，降低消耗的一種高新技術(shù)。其主要就是實現(xiàn)鍋爐、汽機、輔助設備運行的自動化，保證機組自動化運行的高效性、可靠性、安全性，并且確保生產(chǎn)運行的經(jīng)濟效益與社會效益。
隨著科學技術(shù)水平的不斷提高，自動化技術(shù)的不斷進步，促進了熱工自動化的全面發(fā)展。在生產(chǎn)過程中，利用新技術(shù)、新材料、新設備、新原理生產(chǎn)一些新的傳感器與變速器等，使得控制系統(tǒng)與控制設備越來越先進，實現(xiàn)了熱工生產(chǎn)的全面自動化。同時，隨著新控制理論與策略的不斷提出，在生產(chǎn)實踐中得到了廣泛的應用，并且促進了生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。
3.3 節(jié)能增效
隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源與資源的消耗量越來越大，因此，全世界對能源與資源的消耗問題予以了高度的重視，尤其是在電力事業(yè)發(fā)展過程中。隨著科學技術(shù)手段的不斷增加，智能化、透明化、無線化、網(wǎng)絡化等概念的不斷提出，越來越重視自動化控制系統(tǒng)的開發(fā)與利用，并且對數(shù)據(jù)通信、測量、保護、控制等方面的內(nèi)容也越來越關(guān)注。在機組運行過程中，應用了很多的新測量方法與理論，實現(xiàn)了其運行與故障處理的自動化控制，促進了電力事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
4 結(jié)束語
總而言之，在火電廠生產(chǎn)經(jīng)營管理過程中，加強熱工自動化產(chǎn)品的應用，不僅可以增強火電廠生產(chǎn)的安全系數(shù)，防止發(fā)生一些故障與事故，還可以在一定程度上，增加火電廠生產(chǎn)的經(jīng)濟效益與社會效益。在火電廠熱工自動化中應用自動控制理論，可以促進火電廠生產(chǎn)自動化水平的不斷提高，達到預期的生產(chǎn)目標，進而實現(xiàn)電力事業(yè)的健康、快速發(fā)展。
摘 要 根據(jù)上海開放大學控制工程基礎課程的實驗要求，利用虛擬儀器軟件及其Control & Design Toolkit（CDT）開發(fā)一個虛擬實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)包括六個模塊：傳遞函數(shù)、控制系統(tǒng)的典型連接、控制系統(tǒng)零極點模型、控制系統(tǒng)分析、二階瞬態(tài)響應。該系統(tǒng)作為控制理論基礎課程的輔助教學軟件，提高了學生掌握知識與技能的效率，達到了將實驗環(huán)節(jié)引入課堂的良好效果。
關(guān)鍵詞 虛擬實驗 LabVIEW 自動控制系統(tǒng) 傳遞函數(shù)
0 引言
在理工科專業(yè)的教學科研過程中，要想緊跟技術(shù)的發(fā)展，就要不斷地更新教學和實驗設備。而隨著各學科實驗項目和學生人數(shù)的增多，傳統(tǒng)的實驗室和實驗儀器數(shù)量很難滿足學生的需求。因此，虛擬仿真教學和實驗室作為一種有效的解決方案應運而生，在各大高校已經(jīng)獲得了廣泛的應用，并且成為高等教育實驗課程發(fā)展的新方向。
虛擬儀器技術(shù)自1986年面世以來，已在各工程領域得到廣泛的應用，①②在教學實驗系統(tǒng)中也得到了應用發(fā)展。
在控制理論實驗系統(tǒng)開發(fā)研究中，許多學校根據(jù)自己的需要，利用LabVIEW開發(fā)了多種實驗系統(tǒng)。②③④⑤⑥
上海開放大學具有11萬注冊的在校生，教學與實驗的條件受場地、時間、空間和設備的限制，較普通高校更為嚴峻。網(wǎng)絡課程與虛擬實驗在開放大學的應用顯得尤為重要。
本文根據(jù)本校實驗要求內(nèi)容，利用虛擬儀器軟件開發(fā)虛擬實驗系統(tǒng)，從而方便學生進行不定時、不定點地實驗。
1 系統(tǒng)總體設計思路
上海開放大學學生多為在職，他們利用晚上和周末進行繼續(xù)學習，這使得他們具有以下特點：具有比較豐富的工作經(jīng)驗，學習更側(cè)重理解并應用，學生的學習時間受限制。趙教授的實驗指導書正是基于學生的特點而編寫的。通過實驗，加深學生對控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)、控制系統(tǒng)構(gòu)成、控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、典型二階系統(tǒng)與參數(shù)的之間的關(guān)系等的理解。根據(jù)這些內(nèi)容，系統(tǒng)設計了一個初始界面和五個功能模塊：傳遞函數(shù)建立、典型連接、零極點模型、控制系統(tǒng)分析、二階瞬態(tài)響應（如圖1）。
控制仿真工具包能夠很好地完成上述功能。
2 系統(tǒng)模塊設計及展示
2.1 初始界面
系統(tǒng)設計一個初始界面，它通過選項卡和菜單按鈕方式進入各功能模塊。初始界面顯示該實驗系統(tǒng)可完成從傳遞函數(shù)構(gòu)建、系統(tǒng)特性分析到系統(tǒng)運行仿真的整個過程。
2.2 傳遞函數(shù)構(gòu)建模塊和連接典型
LabVIEW提供一個控制仿真工具包。應用此工具包，在傳遞函數(shù)模塊，通過輸入系統(tǒng)微分方程的分子和分母系統(tǒng)，構(gòu)建傳遞函數(shù)。如圖2所示左端構(gòu)建函數(shù)，右側(cè)進行典型連接，完成各個環(huán)節(jié)的串聯(lián)、并聯(lián)及反饋連接。
2.3 零極點模型模塊
此模塊用來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)微分方程得出傳遞函數(shù)，得出系統(tǒng)的零極點圖和伯德圖，以便于判斷其穩(wěn)定性（如圖3）。
2.4 控制系統(tǒng)分析模塊
本系統(tǒng)設計了典型的一階、二階系統(tǒng)的時域響應。調(diào)整其參數(shù)，可得到不同的響應曲線，以便進行對比分析。模塊運行界面如圖4所示。
2.5 二階瞬態(tài)響應模塊
此模塊專門分析二階系統(tǒng)的時域響應。影響二階系統(tǒng)的各個參數(shù)都可以進行調(diào)節(jié)，以便觀察系統(tǒng)的響應特性，從而更為清楚地理解系統(tǒng)特性。模塊運行界面如圖5所示。
3 結(jié)語
仿真的實驗界面能夠加強學生對實驗的興趣，通過調(diào)節(jié)不同參數(shù)，可直接觀測到各種實驗過程。采用虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗儀器，有效的降低了硬件配置和實驗成本。
實驗充分利用了LabVIEW語言的靈活、開放，人機界面友好等特點，使用方便，具有良好的通用性和擴展性。
【摘 要】近年來隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國電力行業(yè)也取得了跨越式發(fā)展，無論是裝機容量還是發(fā)電量均取得了較高的增長。隨著電力行業(yè)的繼續(xù)發(fā)展，電力系統(tǒng)走向智能化已成為大勢所趨，而建立一個堅強的智能電網(wǎng)也一直是國家電網(wǎng)的奮斗目標。由于自動控制理論的應用對提高電力系統(tǒng)智能化水平有著極大的推動作用，因而引起了各方越來越多的關(guān)注和探討。本文針對電力行業(yè)中自動控制理論的應用及其效果評估進行了分析和研究，并進行了簡要的闡述。
【關(guān)鍵詞】電力業(yè) 自動控制理論 應用效果
一、引言
隨著我國電力行業(yè)的不斷發(fā)展與成熟，國外的發(fā)展經(jīng)驗告訴我們，走向電網(wǎng)的智能化與自動化已成為必然趨勢。而想要提高電網(wǎng)系統(tǒng)的智能化與自動化水平，必須要應用先進的自動控制理論。隨著我國不斷推進的積極嘗試，自動控制理論在電力業(yè)中已經(jīng)有了較為廣泛的應用，本文將針對自動控制理論在電力業(yè)中的應用及其應用效果展開分析。
二、自動控制理論的簡介
自動控制理論作為自動控制科學的核心，走過了漫長的發(fā)展階段，從20世紀初期形成的基于線性代數(shù)而發(fā)展起來的現(xiàn)代控制理論，到60年代中期綜合了人工智能、運籌學等多掙學科并在此基礎上發(fā)展形成的智能控制理論，自動控制理論不斷走向完善與成熟，并得到了越來越多的認可，在電力、機械、采掘等諸多領域均得到了廣泛的應用。
三、電力業(yè)中自動控制理論的應用
（一）電力系統(tǒng)的自動化
電力系統(tǒng)的自動化是通過運用自動控制理論，對整個電力系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，對電力系統(tǒng)運行中的各項運行數(shù)據(jù)指標實時進行采集與分析，并根據(jù)分析結(jié)果對電力系統(tǒng)進行控制，從而使電力系統(tǒng)的運行更加安全穩(wěn)定，經(jīng)濟效能也得到較大提高，是自動控制理論在電力業(yè)中應用的目的。
“十一五”期間省網(wǎng)以上電力自動化投資匯總表
年份 2006 2007 2008 2009 2010
投資額/萬元 150000 123000 90000 71000 50000
“十一五”期間電力自動化設備市場需求結(jié)構(gòu)圖
（二）電力業(yè)中應用到的自動控制理論
隨著電力行業(yè)的不斷發(fā)展以及自動控制理論的不斷完善，很多先進的自動控制理論與技術(shù)逐漸被應用到電力行業(yè)中來：
1.神經(jīng)網(wǎng)絡控制。神經(jīng)網(wǎng)絡控制技術(shù)是一種綜合性的現(xiàn)代控制技術(shù)，集合了非線性控制技術(shù)以及并行控制控制技術(shù)等在內(nèi)的多種控制技術(shù)，自學習能力較強。神經(jīng)網(wǎng)絡控制技術(shù)可以將大量的電氣設備像神經(jīng)元一樣連接起來，形成一個復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡，并且通過自身學習的算法，對整個神經(jīng)網(wǎng)絡中復雜的線性關(guān)系和大量數(shù)據(jù)進行分析處理，在電力行業(yè)中有著重要的應用。
2.專家控制技術(shù)。專家控制技術(shù)能夠完成電力系統(tǒng)的警告控制、特殊狀態(tài)的識別、緊急情況下的應急處理等多項任務，對電力系統(tǒng)有著重要的意義。另外，專家控制技術(shù)還在電壓無功控制以及故障點隔離等方面有著較好的應用效果。由于專業(yè)控制技術(shù)對電力系統(tǒng)有著較為重要的作用，因而在電力業(yè)中得到了較為廣泛的應用。
3.最優(yōu)化線性控制技術(shù)。最優(yōu)化線性控制技術(shù)，作為如今自動控制理論中比較重要的一種技術(shù)，是線性范圍內(nèi)最好的控制方法，對于電力系統(tǒng)中，遠距離輸電能力的完善以及改善智能電網(wǎng)動態(tài)電能品質(zhì)方面有著較高的應用價值，對電力系統(tǒng)也有著較高的應用價值。
4.綜合智能控制技術(shù)。綜合智能控制技術(shù)，能夠吧現(xiàn)代控制技術(shù)以及智能控制技術(shù)兩者有機的結(jié)合起來，應用到電力系統(tǒng)中。在實際運行中，可以通過綜合運用神經(jīng)網(wǎng)絡控制技術(shù)、專家控制技術(shù)以及其他控制技術(shù)，使其協(xié)同工作，共同完成對電力系統(tǒng)的控制。綜合智能控制技術(shù)作為其他技術(shù)的總管，在電力行業(yè)中也有著較為廣泛的應用。
（三）電力業(yè)中自動控制理論的應用效果
自動化是電力行業(yè)走向成熟的必經(jīng)之路，能夠推動行業(yè)的進一步發(fā)展。將自動控制理論應用到電力行業(yè)中后，能夠促進電力系統(tǒng)的不斷完善，取得較好的應用效果。
1.實現(xiàn)電力調(diào)度自動化。應用自動控制理論對實現(xiàn)電力調(diào)度自動化有著較大的推動作用，實現(xiàn)了對電力系統(tǒng)運行時各項運行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控與采集分析，并通過控制系統(tǒng)不斷進行調(diào)整，從而使電力系統(tǒng)始終運行在最佳狀態(tài)下，大大提高了電力系統(tǒng)運行的安全與穩(wěn)定性，并且降低了設備的損耗，提高了經(jīng)濟效益。
2.實現(xiàn)變電站自動化。變電站作為電力系統(tǒng)中較為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復雜。通過應用自動控制理論，在變電站遠動裝置控制、信號檢測控制以及繼電保護控制等多個方面有了較大的優(yōu)化和提高實現(xiàn)了對變電站運行的實時監(jiān)控，促進了變電站運行的自動化，從而大大降低了運行成本，提高了輸送電能的質(zhì)量，增加了經(jīng)濟效益。
3.實現(xiàn)配電網(wǎng)自動化。通過運用自動控制理論，實現(xiàn)了對配電網(wǎng)的自動化控制，從而大大降低了配電網(wǎng)過去對人力勞動的依賴，減少了工人的勞動負荷，提高了配電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性與可靠性，對于提高輸送電能的質(zhì)量也有著重要的積極意義。
總而言之，自動控制理論在電力業(yè)中的應用，能夠提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定可靠性，降低電網(wǎng)系統(tǒng)運行成本，提高經(jīng)濟效益，有著顯著的應用效果。
四、結(jié)束語
隨著我國經(jīng)濟社會的進一步發(fā)展，對電力系統(tǒng)提出了更高的要求，走自動化、智能化的道路才能不斷滿足國家發(fā)展對電力行業(yè)日益提高的要求。自動控制理論在電力行業(yè)中的應用，取得了較好的效果，對推進電力系統(tǒng)的自動化有著重要的積極意義。相信隨著相關(guān)理論技術(shù)的不斷完善，我國電力行業(yè)必將取得新的進步。
[摘 要]隨著技術(shù)工具的進步如半導體微電子學、光學和光電子學、計算機和通信網(wǎng)絡等信息采集、存儲、傳輸、計算和處理技術(shù)的迅速發(fā)展也強力推動著自動控制理論研究向前發(fā)展。然而由于研究系統(tǒng)、對象越來越來復雜，這樣就對自動控制理論以及其實際運用的研究就提出了更高的要求。本文首先對自動控制理論的發(fā)展作了一個簡單的回顧，然后對Matlab軟件作了一些簡介、最后簡單闡述了自動控制理論的研究現(xiàn)狀以及其它在各不同領域的運用。
[關(guān)鍵詞]自動控制理論；Matlab；模糊控制；魯棒控制；最優(yōu)化控制
隨著控制系統(tǒng)復雜性的增加，不確定因素的增多，要求各控制理論分支有進一步的發(fā)展，彌補各理論分支的缺點與不足，以滿足更高的控制性能指標。現(xiàn)有的控制理論在線性系統(tǒng)控制中大都能取得良好的控制效果，但對離散、非線性復雜系統(tǒng)領域的研究大都剛剛起步，或處于初級階段，遠未達到人們的期望。而實際工業(yè)生產(chǎn)過程的模型一般都很復雜，通常具有非線性、分布參數(shù)和時變等特性。因此將控制理論的研究領域推廣到非線性復雜系統(tǒng)有重要的實際意義。另外與宏觀復雜系統(tǒng)控制相對的量子控制（Quantum Control）也正在作為一個全新的學科領域蓬勃崛起，它的發(fā)展也依賴于完善的控制理論和優(yōu)化控制策略。近年來隨著微電子、半導體、計算機等技術(shù)的快速發(fā)展也強有力的推動了自動控制理論的發(fā)展。
一、現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生及其發(fā)展
控制理論作為一門科學，它的產(chǎn)生可追溯到18 世紀中葉的第一次技術(shù)革命，1765年瓦特發(fā)明了蒸汽機，應用離心式飛錘調(diào)速器原理控制蒸汽機，標志著人類以蒸汽為動力的機械化時代的開始，后來工程界用控制理論分別從時域和頻域角度討論調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性題，1872年勞斯（Routh E J）和1890年赫爾維茨（Hurwitz）先后找到了系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)據(jù)，1932年奈奎斯特（Nyquist H）發(fā)表了放大器穩(wěn)定性的著名論文，給出了系統(tǒng)穩(wěn)定性的奈奎斯特判據(jù)。美國著名的控制論創(chuàng)始人維納（Wiener N）總結(jié)了前人的成果，認為客觀世界存在3大要素：物質(zhì)、能量、信息，雖然在物質(zhì)構(gòu)造和能量轉(zhuǎn)換方面，動物和機器有顯著的不同，但在信息傳遞、變換、處理方面有驚人的相似之處，1948 年發(fā)表了《控制論―或關(guān)于在動物和機器中控制和通訊的科學》，書中論述了控制理論的一般方法，推廣了反饋的概念，確立了控制理論這門學科的產(chǎn)生。
1.經(jīng)典控制理論。第一代稱為“經(jīng)典控制理論”時期，時間為20 世紀40～50 年代。它研究的主要對象多為線性定常系統(tǒng)，主要研究單輸入單輸出問題，研究方法主要采用以傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡為基礎的頻域分析法，它的控制思想首先旨在對機器進行“調(diào)節(jié)”，使之能夠穩(wěn)定運行，其次是采用“反饋的方式，使得一個動力學系統(tǒng)能夠按照人們的要求精確地工作，最終實現(xiàn)對系統(tǒng)按指定目標進行控制?！?
2.現(xiàn)代控制理論。第二代稱為“現(xiàn)代控制理論”時期，時間為20 世紀60～70 年代。經(jīng)典控制理論對線性定常系統(tǒng)可產(chǎn)生良好的控制效果，但是它對多輸入多輸出、時變、非線性系統(tǒng)的控制卻力不從心。所以50 年代末60 年代初，學者卡爾曼等人將古典力學中的狀態(tài)、狀態(tài)空間概念加以發(fā)展與推廣，將經(jīng)典控制理論中的高階常微分方程轉(zhuǎn)化為一階微分方程組，用以描述多變量控制系統(tǒng)，并深刻揭示了用狀態(tài)空間描述的系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性如可控性、可觀性，從而奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎。
3.第三代控制理論。以上所提的經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論都是建立在數(shù)學模型之上的，所以統(tǒng)稱為常規(guī)（傳統(tǒng)）控制。它們?yōu)榱丝刂票仨毥?，但許多實際系統(tǒng)的高維性及系統(tǒng)信息的模糊性、不確定性、偶然性和不完全性給基于數(shù)學模型的傳統(tǒng)控制理論以巨大的挑戰(zhàn)。是否可以改變一下思路，不完全以控制對象為研究主體，而以控制器為研究對象；是否可以用人工智能的邏輯推理、啟發(fā)式知識、專家系統(tǒng)解決難于建立數(shù)學模型的問題呢？智能控制的出現(xiàn)正源于這一思想。1967年Leondes 和Mendel 首次正式使用“智能控制”一詞，1971 年傅京孫教授指出，為了解決控制問題，用嚴格的數(shù)學方法研究新的工具來對復雜的“環(huán)境2對象”模型進行建模和識別以實現(xiàn)最優(yōu)控制，或者用人工智能的思想建立對不能精確定義的環(huán)境和任務的控制設計方法，這兩者都值得試一試，而重要的是把兩種途徑密切結(jié)合起來協(xié)調(diào)的進行研究。沿著這一思想出發(fā)，現(xiàn)代控制理論將微分幾何、微分代數(shù)、數(shù)學分析與邏輯推理、啟發(fā)式知識建立和發(fā)展了智能控制理論相結(jié)合從而形成第三代控制理論大系統(tǒng)理論和智能控制理論。
二、Matlab工程軟件
1.Matlab起源。早在70年代中期，Matlab的開發(fā)者美國人Clever Moler及其同事在美國國家科學基金的資助下研究開發(fā)調(diào)用LinPack和EisPack的FORTRAN子程序。到70年代后期，Clever Mloer教授利用業(yè)余時間為學生編寫能夠方便調(diào)用LinPack和EisPack的程序。Clever Mloer給這個接口程序取名為Matlab，這是從Matrix（矩陣）、Laboratory（實驗室）各取前三個字母組成的，意思是“矩陣實驗室”。
2.Matlab的特點與功能。Matlab自從1984年由MathWork公司推向市場以來，經(jīng)歷十幾年的發(fā)展和競爭，現(xiàn)在逐步風靡世界，可靠的數(shù)值和符號運算能力、簡單易學的程序語言、強大的圖形和可視化的功能以及為數(shù)眾多的運用工具寶石Matlab區(qū)別與其他科技應用軟件的顯著特點。其相關(guān)的功能如下：（1）數(shù)值和符號計算功能。Matlab的數(shù)值計算功能包括：矩陣的創(chuàng)建和保存；數(shù)值矩陣代數(shù)、乘方運算和分解；數(shù)組運算；矩陣操作；多項式和有理分式運算；數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、差分和數(shù)組導數(shù)；用于求積分、優(yōu)化和微分方程的數(shù)組解的功能函數(shù)等。（2）Matlab語言。除了指令行操作的直接交互使用方式外，Matlab作為高級應用軟件有它自己的編程語言。Matlab的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的習慣形式十分相似，簡單易學。完全不需要對矩陣的乘法和求逆進行煩瑣的編程。因此用Matlab求解問題比C語言、FORTRAN語言要簡便的多。與其它高級語言的關(guān)系仿佛高級語言與匯編語言的關(guān)系一樣，盡管它的執(zhí)行效率比其它的高級語言低但是其編程效率、程序的可讀性，可移植性要遠高于它們。（3）圖形和可視化功能。圖形和可視化功能是現(xiàn)代應用軟件發(fā)展的主要方向，也是前后版本間的最大差異之一。利用可以輕而易舉地繪制二維、三維曲線，三維曲面，并可進行圖形和坐標的標識、坐標控制、圖形的迭繪、視角和光照設計、色彩精細控制等等。另外還可以非常方便地完成動畫的繪制工作。Matlab還提供了對圖形對象（Graph object）和圖形句柄（Graph Handle）進行操作的“底層（low level）”指令，使用戶可以隨心所欲地對圖形進行各種操作，為用戶在圖形表現(xiàn)和可視化方面開拓了一個廣闊的、沒有絲毫束縛的空間。
摘要：隨著留學生人數(shù)的逐年增加，全英文專業(yè)課程的教學已在中國大學逐步開展。本文主要分析了全英文專業(yè)課程《自動控制原理》教學中的問題與挑戰(zhàn)。從該課程的特點出發(fā)，討論了保證全英文專業(yè)課教學質(zhì)量的關(guān)鍵措施和經(jīng)驗。
關(guān)鍵詞：全英文教學；自動控制原理；教學方法
自動化技術(shù)在社會生產(chǎn)和生活中具有廣泛的應用，自動化專業(yè)教育具有巨大的市場需求?！蹲詣涌刂圃怼氛n程是自動化專業(yè)的主干課程之一，并且此課程是后續(xù)自動化專業(yè)課程的基礎。該課程傳授反饋控制系統(tǒng)的最基本概念以及反饋控制系統(tǒng)分析設計最基礎的思路方法，是自控專業(yè)學生能力培養(yǎng)的基石。隨著經(jīng)濟全球化和中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，外企在中國投資和中國企業(yè)走向國際已經(jīng)成為現(xiàn)實。這種現(xiàn)狀使得高科技人力資源在不同國家流動的趨勢越來越強。中國大學留學生數(shù)目以及中國高校畢業(yè)生使用英語在外企和國外工作的數(shù)目呈不斷上升趨勢，中國大學與英語國家的校級交流也越來越多，這些變化都使得中國大學教育對全英文專業(yè)課程教學的需求越來越大[1-3]。全英文《自動控制原理》課程就是為了適應這種教育國際化的形式而設置的。目前中國大學教育處于走向國際化的初步階段，探索并交流適應現(xiàn)階段形式的全英文課程教學方法提高全英文教學質(zhì)量是非常必要的。
一、課程特點與教學對象分析
《自動控制原理》課程是一門理論性非常強的專業(yè)基礎課程，面向電類專業(yè)中國本土學生和留學生開設。該課程對學生的數(shù)學基礎知識要求比較高，課程用全英文開設，還需要學生具有較強的英文聽力和閱讀理解力，作業(yè)和實驗報告等需要學生有較強的英語書面表達能力。該課程設有實驗環(huán)節(jié)，在有留學生參與的實驗小組進行系統(tǒng)分析與設計的團隊工作，不僅需要學生有較強的實驗操作能力還需要學生具有良好的專業(yè)英語口頭溝通能力。《自動控制原理》課程是自控專業(yè)的基礎課程，在大學三年級上半年開設，是其他自控專業(yè)課的基礎，只有很好地理解和掌握控制原理的基礎知識，才能繼續(xù)學習好后續(xù)的其他專業(yè)課。目前我校留學生人數(shù)雖然呈上升趨勢但絕對數(shù)量還不是很多，全英文教學班一般由本土學生和來自非洲、歐洲、美國、亞洲等不同地區(qū)的留學生組成。由于學生們的背景不同，學生的數(shù)學基礎、英語程度、接受能力、思維習慣和特點都具有一定的差異。一般來講，本土學生的數(shù)學基礎較好一些，英語閱讀能力較強，但因生活環(huán)境為中文，英語聽力理解能力相對閱讀能力弱一些；對于母語不是英語的留學生，因其有限的英語程度，在課程學習和交流中具有一定困難。從已開設的英文課來看，一般留學生的數(shù)學基礎相對中國學生弱一些。對來自不同背景學生進行自控原理的教學，如何因材施教，具有一定的挑戰(zhàn)性。
二、教學組織與方法
面向不同背景的學生來源開展《自動控制原理》的全英文教學，要保證提高教學質(zhì)量，必須從師資配備、教學對象認識、教學組織、教材選擇、教輔資料與軟件工具選擇、實驗安排等方面全方位地合理安排。全英文教學應該從教學對象背景的需求出發(fā)，在注重知識傳授、能力培養(yǎng)的同時，要特別注意教學交流質(zhì)量的提高，以達到知識傳授、能力培養(yǎng)的目的。
1.教學團隊的素質(zhì)。自控原理的全英文教學，涉及數(shù)學及專業(yè)知識的傳授、使用英語的溝通，在教學對象來源差異較大的情況下，對教學團隊的素質(zhì)要求比較高。（1）教師英語能力基礎及保持：全英文授課的教師，一般應具較強的責任心，具有較好的英語口語表達能力。盡管有些老師有海外學習經(jīng)歷，全英文任課老師由于一般工作在中文語境中，也要注意英語聽說能力的保持。（2）專業(yè)知識及其應用能力：《自動控制原理》課程是一門比較傳統(tǒng)和基礎的課程，任課老師一般都學習過此門課程。因此老師對相應的知識點都比較熟悉，但對于課程知識的應用還需予以加強。教師應該有課程相關(guān)的比較全面系統(tǒng)的知識背景，不僅可以講述課程的知識點，也能夠講述知識點之間的相互聯(lián)系以及知識點的應用環(huán)境、應用方法及應用工具，使學生不僅獲得課程的知識點，還獲得關(guān)于知識應用方面的技巧。（3）面向教學對象的教學方法：課程教學的效果取決于課程教學的方法。一般教學方法由理論學習和課堂經(jīng)驗積累兩種途徑獲得。教學方法沒有絕對的好與不好，關(guān)鍵的是教學方法要適用于教學對象。因此除了一般教學方法的掌握，教師還要在教學實踐中注意收集學生對教學的反饋意見，不斷積累總結(jié)教學方法及其適用對象。（4）教師的組織與溝通能力：主講教師是課程的負責人，全面負責助教、實驗指導老師和學生之間的工作安排和溝通。教師應該在第一節(jié)課收集所有學生的聯(lián)系信息，包括留學生的國籍，并向?qū)W生公布課程助教、實驗指導老師的聯(lián)系方式，保證課程參與者的雙向溝通。
2.課程教材與輔助材料：（1）課程教材的選擇要考慮到教學對象，選擇難易適中的教材。在本課程的實踐中，為了滿足不同層次學生的需要，為學生推薦了一組具有不同特點的教學參考書。在參考書中有相對比較深的教材滿足專業(yè)和英語基礎比較好、好奇心上進心比較強的學生；也有參考書比較深入淺出，易于理解，滿足基礎相對弱的同學?？紤]到中國本土學生將來也有可能在中國企業(yè)工作，本課程推薦了具有中文翻譯版的英文原版經(jīng)典教材，便于學生能在課后了解專業(yè)詞匯的中文表達，也幫助英文程度差但具有一定中文語言能力的學生對課程的理解。另外本課程為學生提供控制原理主要貢獻者的生平介紹，幫助學生理解一些控制原理產(chǎn)生的背景，讓學生們學習該領域大師的創(chuàng)新精神。（2）教學輔助資料與工具的提供可以幫助學生理解復習課堂教學的內(nèi)容。本課程為學生提供中英文對照專業(yè)詞匯，幫助學生對課程的理解和掌握，并能使用英文專業(yè)詞匯進行作業(yè)和實驗報告的表達。自控原理是一門對數(shù)學要求比較高的課程，可以把一些課程常用的數(shù)學公式表，如拉普拉斯變換表等，作為輔助材料提供給學生。本課程還在課程網(wǎng)頁上提供全部課程的英文錄像，如果學生在上課時沒有完全消化，可以在課后自己觀看相關(guān)課程錄像，理解和消化上課的內(nèi)容。
3.課堂教學方法。課堂教學是課程知識傳授的主要環(huán)節(jié)，直接影響到最后的教學效果。教師在英文課堂教學中，要注重以下環(huán)節(jié)：（1）任課老師的課堂表達：教師上課應注意循序漸進，深入淺出，板書要整潔明了。語言采用簡單明了、易于理解的句型?？紤]到班級里有英語聽力不太好的學生，上課語速要適中，并配有相應的關(guān)鍵字板書或多媒體演示稿，以補充學生由于聽力原因造成的信息損失。發(fā)放多媒體演示稿關(guān)鍵部分的紙質(zhì)打印件，方便學生做課堂筆記。教師上課應該基礎部分簡單清晰、教學內(nèi)容應有擴展性，同時注重介紹知識的應用環(huán)境，既要照顧到基礎較差的學生，也應滿足綜合能力強的學生的需求。（2）課堂教學的互動與反饋：由于該課程理論性強，對數(shù)學基礎要求高，大部分學生使用第二語言第一次接觸新的概念，如果沒有進行足夠時間的預習很難在課堂上使用英語主動提出問題。而電類專業(yè)的學生學習任務比較繁重，一般沒有時間做足夠的預習。教師可以圍繞課程內(nèi)容，設計課堂討論題目，采用分組課堂練習的形式，一般為二到三人一組，學生可以互相討論，加強對所學概念方法的理解，教師在學生練習時，巡回檢查，期間學生可以向老師詢問不懂之處。這種形式的全英文互動，既減少了學生的表達壓力，又能達到互動反饋教學效果的作用，非常受學生歡迎，教師也能及時發(fā)現(xiàn)學生難于理解的知識點。
4.課程實驗。課程實驗是課程教學的重要環(huán)節(jié)，學生通過實驗可以加深對課堂知識的理解，并掌握理論知識的應用方法。為保證實驗質(zhì)量，首先要向?qū)W生提供清晰的實驗指導書，在實驗分組時應避免將留學生分在一組，而是將中國本土學生與外國學生搭配開來，加強留學生與中國學生相互交流學習，幫助留學生融入本土學習環(huán)境，克服由于外國學生對環(huán)境的不熟悉造成的工作障礙，順利完成課程實驗任務。實驗報告也是課程實驗的重要組成部分，要求學生對實驗數(shù)據(jù)進行有效處理，對實驗現(xiàn)象運用課程理論知識進行詳細分析、解釋。
5.課程學習質(zhì)量的監(jiān)控與評估。學生課程學習質(zhì)量的監(jiān)控分課堂學習評估、課程階段學習評估和課程學體評估。課堂學習評估主要通過課堂練習來進行。教師通過學生課堂練習的情況，評估學生課堂學習的質(zhì)量，改善課堂教學效果。課程階段學習評估主要通過階段小測驗來進行，通過階段小測驗可以測試學生對一個階段所學知識的綜合運用能力。課程學體評估包括學生的課堂表現(xiàn)、作業(yè)情況、小測驗情況以及實驗情況和期末考試，是學生整個課程學習過程的綜合評估。期末考試內(nèi)容應該含概課程基礎知識、課程知識靈活應用和課程知識綜合運用等層次，以測試不同層次學生掌握課程知識的情況。
現(xiàn)階段全英文專業(yè)課程教學在中國大學尚屬于初步發(fā)展階段，本文主要討論全英文自控原理課程的教學特點與方法。論文分析了全英文課程班的學生組成和特點，闡述了自控原理全英文課程的教學質(zhì)量保證的關(guān)鍵措施及經(jīng)驗，為中國大學全英文專業(yè)課程的發(fā)展提供參考。
作者簡介：王偉（1962-），女，博士，副教授，主要研究領域為自動控制理論及應用、數(shù)字圖像處理。
摘 要:綜述了自動控制理論的發(fā)展情況,指出自動控制理論發(fā)展階段和現(xiàn)代自動控制理論的發(fā)展。最后指出,各種控制理論的復合能夠取長補短,是控制理論的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞:自動控制理論；人工智能；智能控制
自動控制理論是自動控制科學的核心。自動控制理論自創(chuàng)立至今已經(jīng)過了三代的發(fā)展:第一代為20世紀初開始形成并于50年代趨于成熟的經(jīng)典反饋控制理論;第二代為50、60年代在線性代數(shù)的數(shù)學基礎上發(fā)展起來的現(xiàn)代控制理論;第三代為60年代中期即已萌芽,在發(fā)展過程中綜合了人工智能、自動控制、運籌學、信息論等多學科的最新成果并在此基礎上形成的智能控制理論。經(jīng)典控制理論(本質(zhì)上是頻域方法)和現(xiàn)代控制理論(本質(zhì)上是時域方法)都是建立在控制對象精確模型上的控制理論, 而實際上的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的控制對象和過程大多具有非線性、時變性、變結(jié)構(gòu)、不確定性、多層次、多因素等特點,難以建立精確的數(shù)學模型。因此,自動控制專家和學者希望能從要解決間題領域的知識出發(fā),利用熟練操作者的豐富經(jīng)驗、思維和判斷能力,來實現(xiàn)對上述復雜系統(tǒng)的控制,這就是基于知識的不依賴于精確的數(shù)學模型的智能控制。本文將對經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論的發(fā)展情況及基本內(nèi)容進行介紹。
一、自動控制理論發(fā)展概述
自動控制是指應用自動化儀器儀表或自動控制裝置代替人自動地對儀器設備或工業(yè)生產(chǎn)過程進行控制,使之達到預期的狀態(tài)或性能指標。對傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)過程采用自動控制技術(shù),可以有效提高產(chǎn)品的質(zhì)量和企業(yè)的經(jīng)濟效益。對一些惡劣環(huán)境下的控制操作,自動控制顯得尤其重要。自動控制理論是與人類社會發(fā)展密切聯(lián)系的一門學科,是自動控制科學的核心。自從19世紀Maxwell對具有調(diào)速器的蒸汽發(fā)動機系統(tǒng)進行線性常微分方程描述及穩(wěn)定性分析以來,經(jīng)過20世紀初Nyquist,Bode,evans,Wienner,Nichols等人的杰出貢獻,終于形成了經(jīng)典反饋控制理論基礎,并于50年代趨于成熟。經(jīng)典控制理論的特點是以傳遞函數(shù)為數(shù)學工具,采用頻域方法,主要研究“單輸入——單輸出”線性定?？刂葡到y(tǒng)的分析與設計,但它存在著一定的局限性,即對“多輸入——多輸出”系統(tǒng)不宜用經(jīng)典控制理論解決,特別是對非線性、時變系統(tǒng)更是無能為力?，F(xiàn)代控制理論本質(zhì)上是一種“時域法”,其研究內(nèi)容非常廣泛,主要包括三個基本內(nèi)容:多變量線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論以及最優(yōu)估計與系統(tǒng)辨識理論?，F(xiàn)代控制理論從理論上解決了系統(tǒng)的可控性、可觀測性、穩(wěn)定性以及許多復雜系統(tǒng)的控制問題。但是,隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的迅速發(fā)展, 生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)模越來越大,形成了復雜的大系統(tǒng),導致了控制對象、控制器以及控制任務和目的的日益復雜化,從而導致現(xiàn)代控制理論的成果很少在實際中得到應用。經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論在應用中遇到了不少難題,影響了它們的實際應用,其主要原因有三:這些控制系統(tǒng)設計和分析都是建立在精確的數(shù)學模型的基礎上的, 而實際系統(tǒng)由于存在不確定性、不完全性、模糊性、時變性、非線性等因素,一般很難獲得精確的數(shù)學模型;研究這些系統(tǒng)時,人們必須提出一些比較苛刻的假設,而這些假設在應用中往往與實際不符;為了提高控制性能, 整個控制系統(tǒng)變得極為復雜,這不僅增加了設備投資,也降低了系統(tǒng)的可靠性。
二、現(xiàn)代控制理論的發(fā)展及基本內(nèi)容
經(jīng)典控制理論雖然具有很大的實用價值,但也有著明顯的局限性。其局限性表現(xiàn)在下面二個方面:第一,經(jīng)典控制理論建立在傳遞函數(shù)和頻率特性的基礎上,而傳遞函數(shù)和頻率特性均屬于系統(tǒng)的外部描述(只描述輸入量和輸出量之間的關(guān)系),不能充分反映系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài);第二,無論是根軌跡法還是頻率法,本質(zhì)上是頻域法(或稱復域法),都要通過積分變換(包括拉普拉斯變換、傅立葉變換、Z變換),因此原則上只適宜于解決“單輸入——單輸出” 線性定常系統(tǒng)的問題,對“多輸入——多輸出”系統(tǒng)不宜用經(jīng)典控制理論解決,特別是對非線性、時變系統(tǒng)更是無能為力。
現(xiàn)代控制理論正是為了克服經(jīng)典控制理論的局限性而在20世紀50、60年代逐步發(fā)展起來的?，F(xiàn)代控制理論本質(zhì)上是一種“時域法”。它引入了“狀態(tài)”的概念,用“狀態(tài)變量”(系統(tǒng)內(nèi)部變量)及“狀態(tài)方程”描述系統(tǒng),因而更能反映出系統(tǒng)的內(nèi)在本質(zhì)與特性。從數(shù)學的觀點看,現(xiàn)代控制理論中的狀態(tài)變量法,簡單地說就是將描述系統(tǒng)運動的高階微分方程,改寫成一階聯(lián)立微分方程組的形式,或者將系統(tǒng)的運動直接用一階微分方程組表示。這個一階微分方程組就叫做狀態(tài)方程。采用狀態(tài)方程后,最主要的優(yōu)點是系統(tǒng)的運動方程采用向量、矩陣形式表示,因此形式簡單、概念清晰、運算方便,尤其是對于多變量、時變系統(tǒng)更是明顯。特別是在Kalman提出的可控性和可觀測性概念和極大值理論的基礎上,現(xiàn)代控制理論被引向更為深入的研究。現(xiàn)代控制理論研究的主要內(nèi)容包括三部分:多變量線性系統(tǒng)理論、最優(yōu)控制理論以及最優(yōu)估計與系統(tǒng)辨識理論。由于篇幅所限,有關(guān)現(xiàn)代控制理論研究的具體內(nèi)容請參見有關(guān)文獻,這里從略。
三、結(jié)論
以上我們介紹了自動控制理論的發(fā)展情況和現(xiàn)代控制理論，各種控制理論都有其優(yōu)點、缺點和適用范圍,如果能夠取長補短,則必然能夠擴大其應用的范圍,因而是控制理論的發(fā)展方向。事實上,現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了集經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論于一身的各種復合控制理論,如模糊PID復合控制、模糊變結(jié)構(gòu)控制、自適應模糊控制、模糊預測控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制、專家PID控制、專家模糊控制等等。
摘要：針對“自動控制理論”課程在工程實踐教學中的不足，運用CDIO教育理念對該課程的工程教育進行研究和實踐，明確“自動控制理論”課程中學生的學習需求，重新設計教學模式，強化工程實踐能力培養(yǎng)，考核方式采用多元化模式。解決了目前該課程工程教育面臨的困難，調(diào)動了學生學習的積極性，提高了學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。
關(guān)鍵詞：自動控制理論；工程教育；CDIO理念
作者簡介：趙磊（1981-），男，山西長治人，黃山學院機電與信息工程學院，助教；施云貴（1964-），男，吉林省吉林市人，黃山學院機電與信息工程學院，教授。（安徽 黃山 245041）
進入21世紀，經(jīng)濟全球化對我國工程技術(shù)人才的需求日益增長，對工程教育的發(fā)展帶來了機遇。但在我國的傳統(tǒng)工程教育中，重理論輕實踐，過分強調(diào)知識的理論深度和系統(tǒng)性，而忽略了各學科知識間的聯(lián)系，特別是忽視理論知識的應用?！白詣涌刂评碚摗弊鳛樽詣踊瘜W科各專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課程，[1]是為培養(yǎng)從事控制領域的科學研究和工程技術(shù)人員而設置的。在“自動控制理論”課程中，傳統(tǒng)教學多局限于課堂授課，結(jié)合線性系統(tǒng)時域分析、根軌跡分析和頻率特性分析等基礎驗證性實驗和系統(tǒng)動態(tài)、穩(wěn)態(tài)特性分析等分析性實驗，而強調(diào)工程實踐的綜合性和創(chuàng)新性內(nèi)容不足，偏離實際工程應用。
黃山學院（以下簡稱“本?！保┳鳛橐凰胤叫云胀ū究聘咝?，與學術(shù)性高校“錯位競爭”，明確辦學定位為應用型。因此，結(jié)合本?！白詣涌刂评碚摗闭n程教學的實際情況，對“自動控制理論”課程教學提出了改革思路。本文將利用CDIO工程教育模式的理念，[2]明確“自動控制理論”課程中學生的學習需求，重新設計教學模式、強化工程實踐能力培養(yǎng)和考核方式多元化，以提升該課程工程教育的質(zhì)量和內(nèi)涵。[3-6]
一、CDIO工程教育理念
CDIO代表構(gòu)思（conceive），設計（design），實施（implement），運行（operate），是由MIT和瑞典幾所大學在Wallenburg基金會的資助下，經(jīng)過幾年的研究、探索和實踐于2004年創(chuàng)立的工程教育模式。該教育模式是以產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的構(gòu)思、設計、實施和運行全生命周期為背景的教育理念為載體，以CDIO教學大綱和12標準為基礎，讓學生以主動的、實踐的、課程之間具有有機聯(lián)系的方式學習，獲取工程能力。
CDIO工程教學模式的主要特色在于它創(chuàng)造了能夠深化技術(shù)基礎和實際能力的學習經(jīng)驗。采用現(xiàn)代教學方法、創(chuàng)新教學模式和新的學習環(huán)境為學生提供接近工程實際的學習經(jīng)驗，這些具體的學習經(jīng)驗創(chuàng)建了一個與技術(shù)基礎相關(guān)的學習抽象概念的認知框架，并為學生提供有助于理解和記憶這些抽象概念的實際應用機會，由此提供掌握深厚基礎知識的途徑。
二、“自動控制理論”課程教學改革
1.重新設計教學模式
根據(jù)“自動控制理論”課程特點，運用CDIO工程教育理念，堅持以學生為本，建立知識、能力、素質(zhì)培養(yǎng)體系，將系統(tǒng)的構(gòu)思、設計、實施和運行貫穿整個教學過程，對“自動控制理論”的教學目標、課程體系、教學活動及組織形式等進行全方位思考與設計，形成基于CDIO的“自動控制理論”課程教學模式，如表1。
2.強化工程實踐能力培養(yǎng)
為了加強“自動控制理論”課程工程實踐能力的培養(yǎng)，在傳統(tǒng)教學的基礎上，融合項目教學、虛擬仿真和案例分析等方法，讓學生在模擬工程實踐的環(huán)境中進行學習。
（1）項目教學?；陧椖康慕虒W是建立在具體問題的基礎上來尋找解決問題的辦法。為了踐行CDIO工程教育理念，依托項目以3～5名學生為一組，教師采用點撥方式或共同探究的方式進行指導。具體實施步驟如下：
1）構(gòu)思（C）。通過加深學生對自動控制系統(tǒng)的使命、需求、功能、技術(shù)和構(gòu)建等概念設計的理解，其主要形式是要求學生對控制系統(tǒng)進行分析、思考，形成對控制系統(tǒng)設計開發(fā)的基本感性認識，加深對控制系統(tǒng)基本分析和設計方法的理解。
2）設計（D）。要求學生使用控制方法，完成自動控制系統(tǒng)的需求定位、模型開發(fā)、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)架構(gòu)等。通過實踐，使學生掌握自動控制系統(tǒng)工程的基本原理、方法、技術(shù)、工具，并能夠在實際中應用。
3）實現(xiàn)（I）。將設計成果加以實現(xiàn)，著力培養(yǎng)學生的務實精神、工程能力和團隊精神。
4）運行（O）。每個小組對所開發(fā)的控制系統(tǒng)進行實際應用，并建立相應的應用、營銷和服務渠道。實在難以在實際應用的要求建立模擬實際應用環(huán)境，實施模擬應用。運行主要目的是讓學生了解市場，培養(yǎng)學生的務實精神和實際工作能力。
（2）虛擬仿真。虛擬仿真，就是用一個系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)的引入，將使控制系統(tǒng)設計的手段和思想發(fā)生質(zhì)的飛躍，更加符合現(xiàn)代社會發(fā)展的需要。采用虛擬仿真能夠使學生在一個比實際情況更安全的環(huán)境中提高工程實踐能力，可以說在“自動控制理論”課程中應用虛擬仿真技術(shù)是可行且必要的。
（3）案例學習。案例學習可以提供很多關(guān)于實際工程的具體經(jīng)驗，一個典型案例還可以提供詳細的背景內(nèi)容。通過討論案例，學生能夠親自體驗系統(tǒng)或產(chǎn)品的CDIO過程，并參與疑問的解答，提高了學生的思考和決策能力。
3.考核方式多元化
傳統(tǒng)“自動控制理論”課程考核方式筆試偏重理論知識考核，難以考察對實際自動控制系統(tǒng)的設計、分析和建造等工程實踐能力。針對本課程注重工程實踐性、創(chuàng)新性和應用技能培養(yǎng)的要求，改革單一的考核方式，綜合學生在知識、創(chuàng)新、應用等多方面能力，采用筆試、課堂互動、實驗操作、項目開發(fā)等多元化考核方式。多元化考核方法不僅促使學生重視課堂知識的掌握，還重視知識的工程應用與創(chuàng)新，有效地提高了教學水平和教學質(zhì)量。
三、總結(jié)
CDIO工程教育模式的核心是培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)、工程實踐能力?！白詣涌刂评碚摗闭n程作為工程背景較強的課程，只有掌握堅實的理論基礎，具備嚴謹?shù)墓こ掏评砗徒鉀Q問題的能力，才能在后續(xù)課程中熟練地運用自控理論知識解決工程實際問題，并為往后能在工作崗位上靈活運用所學知識打下扎實的基礎。
摘要：在對“自動控制元件”課程教學改革的實踐中，以控制理論思想作為指導，在深入分析課程、學員和教員的實際情況的基礎上，建立了課程教學反饋控制系統(tǒng)模型，采取了優(yōu)質(zhì)提問教學法等多種反饋方式，取得了較好的教學效果，同時也提高了教員的教學水平。
關(guān)鍵詞：控制理論；自動控制元件；反饋控制教學
作者簡介：周鑫（1979-），男，湖南益陽人，第二炮兵工程大學控制工程系，講師；劉志國（1977-），男，湖南益陽人，第二炮兵工程大學控制工程系，講師。（陜西 西安 710025）
基金項目：本文系第二炮兵工程大學“自動控制元件”課程建設的研究成果。
所謂控制，就是根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)外部變化，進行有目的的調(diào)整，一次又一次地克服不確定性，糾正偏差，使系統(tǒng)始終處于某種特定狀態(tài)的一種活動。[1]控制理論認為，任何系統(tǒng)、過程與運動都可以看作一個復雜的控制系統(tǒng)，控制理論思想的應用并不僅僅局限于工業(yè)生產(chǎn)或軍事設備控制方面，也可以擴展到其他領域。
教學是一種有計劃、有目的的活動。教學的目的在于使學生形成一定的心理過程及特性。學生的心理過程是有規(guī)律的，因而是可以控制的，問題在于掌握借以控制這種過程的規(guī)律。由此認為，控制理論對于教學來說，在原則上也是適用的。因此可以將控制理論的基本原理和方法推廣至教學領域，建立教學控制系統(tǒng)，結(jié)合教學過程的特點及規(guī)律，改革傳統(tǒng)教學過程，研究和解決教學過程中的一系列問題，以實現(xiàn)對教學過程的有效控制和全面優(yōu)化，從而更好地控制教學質(zhì)量，提升學員的學習積極性，提高教員的教學水平，達到教學相長的目的。
一、反饋控制教學的基本原理
控制系統(tǒng)由被控對象和控制裝置組成，控制方式分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制和復合控制，傳統(tǒng)的知識注入型教學過程通常為開環(huán)控制方式。以學員作為控制對象，以課程教學目標為期望值，以教學效果為控制量，可建立課程教學開環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1所示。
在圖1所示的系統(tǒng)中，教員進行課堂授課時，學員扮演的是被動接收知識的角色。從控制理論觀點來看，傳統(tǒng)的知識注入型教學存在著控制作用的斷續(xù)性與反饋聯(lián)系的偶然性問題，因而不是最佳的教學方式。由于缺少有效且連續(xù)的反饋信息，教員無法及時掌控教學情況，學員學習主動性差，教員教學水平提高緩慢，往往難以達到預期教學效果。
若在系統(tǒng)中增加前饋補償和反饋通道，則可建立閉環(huán)（反饋）教學控制系統(tǒng)，如圖2所示。
由圖2可知，由于建立了良好的反饋聯(lián)系，教員在教學過程中能夠及時發(fā)現(xiàn)實際教學效果與教學目標的偏差，從而根據(jù)反饋控制原理適時改變控制方式（調(diào)節(jié)教學內(nèi)容、教學進度、教學方法和教學手段等），以保證：教學過程始終沿著教學目標的固有軌道前進；教學內(nèi)容、方法和手段適合教學對象，且不斷趨于完美；教學研究與教學本身得以同步發(fā)展。
在課程教學實踐中，應該依據(jù)課程、學員和教員等各方面的實際情況，深入分析課程教學控制系統(tǒng)的各個組成部分，細化前饋和反饋環(huán)節(jié)，建立課程教學控制系統(tǒng)模型，圖3為針對“自動控制元件”課程建立的教學反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
由圖3可知，在“自動控制元件”教學反饋控制系統(tǒng)中，以自主預習的前饋補償方式以及自主復習的局部反饋方式促使學員在自控（學員自學）和他控（學員之間的相互學習、交流、激勵）方式作用下，初步消化和掌握教員在課堂授課過程中講授的理論知識。教員在課堂授課過程中，采用有效的課堂提問等方法，及時掌握學員學習動態(tài)，實時調(diào)整教學過程，以保證教學效果；課后，通過每周答疑、課后作業(yè)、課程實驗、課中考核、課外實踐以及學員針對課程提供意見建議等多種反饋方式，獲取學員對課程知識的掌握和應用情況以及學習態(tài)度、精神狀態(tài)等，并根據(jù)反饋信息適時調(diào)整教學過程，從而縮小教學效果與教學目標的偏差。在傳授知識和能力的同時，教員的授課能力也可通過自身的總結(jié)交流、教學督導組的評價以及學員的意見建議等三個反饋渠道得到及時反映，以促進教學水平的提高。
二、反饋控制教學中需要注意的問題
在教學控制系統(tǒng)中，教學是一種有目的、有計劃的實施控制活動的過程。要實現(xiàn)有效控制，首先必須建立較為準確的系統(tǒng)模型，然后根據(jù)課程、學員和教員的實際情況制定行之有效的控制方式。既要因“材”施教，也要因“才”施教，“材”指的是課程的教學目標和教學內(nèi)容，“才”指的是學員和教員。實現(xiàn)因“材”施教和因“才”施教的關(guān)鍵在于構(gòu)建有效的信息反饋通道。
1.教學控制系統(tǒng)模型的建立
系統(tǒng)模型越準確，控制效果越好。因此在系統(tǒng)建模時，必須深入分析教學反饋控制系統(tǒng)的各部分結(jié)構(gòu)，了解“材”和“才”的實際情況，確定系統(tǒng)期望和反饋信息及其之間的關(guān)系。教學控制系統(tǒng)中需要明確的主要信息和組成部分包括：
（1）系統(tǒng)期望，即教學目標。嚴格依照專業(yè)人才培養(yǎng)方案和課程標準制定課程的總體教學目標和各章節(jié)、每次授課的教學目標。
（2）被控對象，即學員。通過課前召開座談會、課中答疑以及與學員代表交流溝通等方式全方位了解授課對象。
（3）控制方式，即教學實施方案。制定具體且具有針對性的課程教學改革方案、課程教學設計方案和課堂教學方案。而在課堂教學實施計劃開展之前，教員應該進行精心的教學準備，具體工作包括深入理解教學內(nèi)容、設計具有一定特色的多媒體課件和教案、熟練掌握幾種教學方法、開發(fā)交互式課程學習網(wǎng)站和建設試題庫等。
（4）評價方式，即根據(jù)學員的學習情況，把實際值與期望值進行比較，對教學工作做出客觀評價。按照教學目標衡量實際成效，最理想的情況是在偏差較小時就有所察覺，并采取措施加以改善。但是，僅憑經(jīng)驗是遠遠不夠的，必須制定客觀公正、切實可行的評價方案對學員進行綜合評定，才能客觀地評價教學效果。
2.反饋控制方式的選擇
在教學過程中，課堂授課是知識傳遞的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在此環(huán)節(jié)中必須采取有效的反饋方式，以獲取足夠的反饋信息。在“自動控制元件”課程教學過程中，教學組在課堂授課過程中采用了優(yōu)質(zhì)提問教學法（Quality Questioning， QUILT）。QUILT是一種“通過提問、理解促進學習和思考”的教學方法，包括精心準備問題、適時拋出問題、激發(fā)學員回答、對學員的回答進行加工以及對提問行為進行反思五個階段。[2]通過QUILT，可以調(diào)動學員的學習積極性，使更多的學員參與思考，更重要的是能夠迅速獲取學員對知識的理解程度的反饋信息。同時，教學組采取其他方式獲取更多反饋信息，主要包括每周答疑、課后作業(yè)、課程實驗、課中考核、課外實踐活動（“三性”實驗、“三小”活動、數(shù)學建模、電子設計、機器人大賽）等，使學員在掌握理論知識的同時，提高動手能力和實際應用能力。
【摘 要】隨著技術(shù)工具的進步如半導體微電子學、光學和光電子學、計算機和通信網(wǎng)絡等信息采集、存儲、傳輸、計算和處理技術(shù)的迅速發(fā)展也強力推動著自動控制理論研究向前發(fā)展。然而由于研究系統(tǒng)、對象越來越來復雜，這樣就對自動控制理論以及其實際運用的研究就提出了更高的要求。本文首先對自動控制理論的發(fā)展作了一個簡單的回顧，然后對Matlab軟件作了一些簡介、最后簡單闡述了自動控制理論的研究現(xiàn)狀以及其它在各不同領域的運用。
【關(guān)鍵詞】自動控制理論；Matlab；模糊控制；魯棒控制；最優(yōu)化控制
隨著控制系統(tǒng)復雜性的增加，不確定因素的增多，要求各控制理論分支有進一步的發(fā)展，彌補各理論分支的缺點與不足，以滿足更高的控制性能指標?，F(xiàn)有的控制理論在線性系統(tǒng)控制中大都能取得良好的控制效果，但對離散、非線性復雜系統(tǒng)領域的研究大都剛剛起步，或處于初級階段，遠未達到人們的期望。而實際工業(yè)生產(chǎn)過程的模型一般都很復雜，通常具有非線性、分布參數(shù)和時變等特性。因此將控制理論的研究領域推廣到非線性復雜系統(tǒng)有重要的實際意義。另外與宏觀復雜系統(tǒng)控制相對的量子控制（Quantum Control）也正在作為一個全新的學科領域蓬勃崛起，它的發(fā)展也依賴于完善的控制理論和優(yōu)化控制策略。近年來隨著微電子、半導體、計算機等技術(shù)的快速發(fā)展也強有力的推動了自動控制理論的發(fā)展。
一、現(xiàn)代控制理論的產(chǎn)生及其發(fā)展
控制理論作為一門科學，它的產(chǎn)生可追溯到18 世紀中葉的第一次技術(shù)革命，1765年瓦特發(fā)明了蒸汽機，應用離心式飛錘調(diào)速器原理控制蒸汽機，標志著人類以蒸汽為動力的機械化時代的開始，后來工程界用控制理論分別從時域和頻域角度討論調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性題，1872年勞斯（Routh E J）和1890年赫爾維茨（Hurwitz）先后找到了系統(tǒng)穩(wěn)定性的代數(shù)據(jù)，1932年奈奎斯特（Nyquist H）發(fā)表了放大器穩(wěn)定性的著名論文，給出了系統(tǒng)穩(wěn)定性的奈奎斯特判據(jù)。美國著名的控制論創(chuàng)始人維納（Wiener N）總結(jié)了前人的成果，認為客觀世界存在3大要素：物質(zhì)、能量、信息，雖然在物質(zhì)構(gòu)造和能量轉(zhuǎn)換方面，動物和機器有顯著的不同，但在信息傳遞、變換、處理方面有驚人的相似之處，1948 年發(fā)表了《控制論—或關(guān)于在動物和機器中控制和通訊的科學》，書中論述了控制理論的一般方法，推廣了反饋的概念，確立了控制理論這門學科的產(chǎn)生。
1．經(jīng)典控制理論。第一代稱為“經(jīng)典控制理論”時期，時間為20 世紀40～50 年代。它研究的主要對象多為線性定常系統(tǒng)，主要研究單輸入單輸出問題，研究方法主要采用以傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡為基礎的頻域分析法，它的控制思想首先旨在對機器進行“調(diào)節(jié)”，使之能夠穩(wěn)定運行，其次是采用“反饋的方式，使得一個動力學系統(tǒng)能夠按照人們的要求精確地工作，最終實現(xiàn)對系統(tǒng)按指定目標進行控制?！?
2．現(xiàn)代控制理論。第二代稱為“現(xiàn)代控制理論”時期，時間為20 世紀60～70 年代。經(jīng)典控制理論對線性定常系統(tǒng)可產(chǎn)生良好的控制效果，但是它對多輸入多輸出、時變、非線性系統(tǒng)的控制卻力不從心。所以50 年代末60 年代初，學者卡爾曼等人將古典力學中的狀態(tài)、狀態(tài)空間概念加以發(fā)展與推廣，將經(jīng)典控制理論中的高階常微分方程轉(zhuǎn)化為一階微分方程組，用以描述多變量控制系統(tǒng)，并深刻揭示了用狀態(tài)空間描述的系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性如可控性、可觀性，從而奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎。
3．第三代控制理論。以上所提的經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論都是建立在數(shù)學模型之上的，所以統(tǒng)稱為常規(guī)（傳統(tǒng)）控制。它們?yōu)榱丝刂票仨毥＃S多實際系統(tǒng)的高維性及系統(tǒng)信息的模糊性、不確定性、偶然性和不完全性給基于數(shù)學模型的傳統(tǒng)控制理論以巨大的挑戰(zhàn)。是否可以改變一下思路，不完全以控制對象為研究主體，而以控制器為研究對象；是否可以用人工智能的邏輯推理、啟發(fā)式知識、專家系統(tǒng)解決難于建立數(shù)學模型的問題呢？智能控制的出現(xiàn)正源于這一思想。1967年Leondes 和Mendel 首次正式使用“智能控制”一詞，1971 年傅京孫教授指出，為了解決控制問題，用嚴格的數(shù)學方法研究新的工具來對復雜的“環(huán)境2對象”模型進行建模和識別以實現(xiàn)最優(yōu)控制，或者用人工智能的思想建立對不能精確定義的環(huán)境和任務的控制設計方法，這兩者都值得試一試，而重要的是把兩種途徑密切結(jié)合起來協(xié)調(diào)的進行研究。沿著這一思想出發(fā)，現(xiàn)代控制理論將微分幾何、微分代數(shù)、數(shù)學分析與邏輯推理、啟發(fā)式知識建立和發(fā)展了智能控制理論相結(jié)合從而形成第三代控制理論大系統(tǒng)理論和智能控制理論。
二、Matlab工程軟件
1．Matlab起源。早在70年代中期，Matlab的開發(fā)者美國人Clever Moler及其同事在美國國家科學基金的資助下研究開發(fā)調(diào)用LinPack和EisPack的FORTRAN子程序。到70年代后期，Clever Mloer教授利用業(yè)余時間為學生編寫能夠方便調(diào)用LinPack和EisPack的程序。Clever Mloer給這個接口程序取名為Matlab，這是從Matrix（矩陣）、Laboratory（實驗室）各取前三個字母組成的，意思是“矩陣實驗室”。
2．Matlab的特點與功能。Matlab自從1984年由MathWork公司推向市場以來，經(jīng)歷十幾年的發(fā)展和競爭，現(xiàn)在逐步風靡世界，可靠的數(shù)值和符號運算能力、簡單易學的程序語言、強大的圖形和可視化的功能以及為數(shù)眾多的運用工具寶石Matlab區(qū)別與其他科技應用軟件的顯著特點。其相關(guān)的功能如下：（1）數(shù)值和符號計算功能。Matlab的數(shù)值計算功能包括：矩陣的創(chuàng)建和保存；數(shù)值矩陣代數(shù)、乘方運算和分解；數(shù)組運算；矩陣操作；多項式和有理分式運算；數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、差分和數(shù)組導數(shù)；用于求積分、優(yōu)化和微分方程的數(shù)組解的功能函數(shù)等。（2）Matlab語言。除了指令行操作的直接交互使用方式外，Matlab作為高級應用軟件有它自己的編程語言。Matlab的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的習慣形式十分相似，簡單易學。完全不需要對矩陣的乘法和求逆進行煩瑣的編程。因此用Matlab求解問題比C語言、FORTRAN語言要簡便的多。與其它高級語言的關(guān)系仿佛高級語言與匯編語言的關(guān)系一樣，盡管它的執(zhí)行效率比其它的高級語言低但是其編程效率、程序的可讀性，可移植性要遠高于它們。（3）圖形和可視化功能。圖形和可視化功能是現(xiàn)代應用軟件發(fā)展的主要方向，也是前后版本間的最大差異之一。利用可以輕而易舉地繪制二維、三維曲線，三維曲面，并可進行圖形和坐標的標識、坐標控制、圖形的迭繪、視角和光照設計、色彩精細控制等等。另外還可以非常方便地完成動畫的繪制工作。Matlab還提供了對圖形對象（Graph object）和圖形句柄（Graph Handle）進行操作的“底層（low level）”指令，使用戶可以隨心所欲地對圖形進行各種操作，為用戶在圖形表現(xiàn)和可視化方面開拓了一個廣闊的、沒有絲毫束縛的空間。
[摘要]CDIO，即構(gòu)思(conceive)、設計(design)、實施(implement)、運作(operate)，它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，讓學生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學習工程。本文選用自動化專業(yè)的一門主干課“自動控制理論”為研究對象，運用CDIO教育理念對該課程的教與學進行探討和實踐，形成了以學生為主的“活躍課堂、積極實踐、學術(shù)探討、項目研究、網(wǎng)絡助學”的教學模式，經(jīng)過5年的教學實踐，取得了很好的教學效果和教改成績，使學生在實際動手能力、獨立創(chuàng)新能力、團隊合作能力方面有所提高，為創(chuàng)新人才成長搭建了寬廣舞臺。
[關(guān)鍵詞]CDIO；工程教育；自動控制理論；教育理念
1 研究背景
CDIO工程教育培養(yǎng)模式是由教師簡潔明了地介紹要學的相關(guān)概念后，將學生分成小組，每個小組5～6人。各個小組自己設計實驗方案、確定操作流程、選擇器材，分工合作完成實驗。通過分析實驗結(jié)果，學生提出其中存在的問題，然后教師開始剖析概念、講解原理，并和學生一起探討。該模式可以培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力，同時能夠增強學生的自學能力、溝通協(xié)調(diào)能力、團隊合作能力以及大系統(tǒng)的運作能力并最大地發(fā)揮學生的積極性和創(chuàng)造I生。自動控制理論是指導人們在一定工程背景下實現(xiàn)對復雜系統(tǒng)設計與分析的方法論，理論性很強，而CDIO工程教育模式的精髓——CDIO代表的構(gòu)思、設計、實現(xiàn)和運作正是自動控制理論思想的具體體現(xiàn)，它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的生命周期為載體，旨在培養(yǎng)學生的工程能力，是一種新的高等工科教育模式。它包括個人的工程科學能力和技術(shù)知識能力、終生學習能力、團隊交流能力和大系統(tǒng)協(xié)調(diào)等方面的能力。顯然，CDIO的教學目標與應用型高校本科專業(yè)的培養(yǎng)目標是一致的，即培養(yǎng)理論與實踐相結(jié)合、工程技術(shù)與市場需求相結(jié)合的高級專門人才。以人才培養(yǎng)為目標，以教學改革為指導，以教材創(chuàng)新為核心，以科學研究為基礎，對自動控制理論課程進行改革，以適應國內(nèi)快速發(fā)展的工控領域?qū)ψ詣踊瞬诺囊蟆?
2 教學理念的轉(zhuǎn)變
2.1 教學模式改革
“培養(yǎng)什么樣的人才、如何培養(yǎng)人才”始終是高等教育的基本問題，“教什么、怎么教，學什么、如何學”始終是教學過程中的一對基本矛盾。很多教師認為“教什么”最重要，至于“怎么教”、“怎么學”全在個人，不重視教學方法的研究，習慣于個人傳統(tǒng)方式的延續(xù)。認為“怎么教”是教師的事情，“怎么學”是學生的事情，“教”與“學”分離，對教師主導、學生主體、師生互動交流認識不足；對教學大綱的把握、對教學目標的實現(xiàn)認識不足，認為教材、講義、網(wǎng)上資料師生可以自由使用，殊不知，這是教師不負責任、偷工減料的表現(xiàn)；對課程的規(guī)律性與學習能力培養(yǎng)的重要性認識不足，有的教師過分強調(diào)講課面面俱到，“填鴨式”教學方法反而貽誤了學生創(chuàng)造思維的訓練和培養(yǎng)。為此，提出如下理念。
1)學生的主體性與教師的主導性融合。教師視每次授課為一場表演，既是演員又是導演，學生是觀眾。這樣教師就要在如何演的精彩、如何引人入勝上下功夫，教學過程中教師主導活動和學生主體活動不斷融合實現(xiàn)動態(tài)轉(zhuǎn)換，隨著知識的潛移默化，學生的學習活動自主性逐漸擴大，教師的傳教活動制約性逐漸縮小，最后轉(zhuǎn)化為學生能夠完全自主學習，真正成為學習的主人。
2)學習的開放性與教學的關(guān)鍵點融合。信息時代提供了眾多的知識獲取途徑，課堂和教師已不再是獲得知識的唯一渠道，應該充分利用網(wǎng)絡、名師、資料、實驗、學科、專業(yè)等優(yōu)質(zhì)資源環(huán)境與學術(shù)氛圍，把學習的場所從課堂擴展到大型實驗室、圖書館、講壇等。自主研學、拓展訓練、思維創(chuàng)造，為學生知識創(chuàng)造和能力建構(gòu)拓展了更加寬松的環(huán)境，這是當前教學模式改革的核心。強化自主性、綜合性、設計性實驗，重視工程實踐、課程設計、項目訓練以及大學生生產(chǎn)實習；將學生個體的學習擴展到小組學習、團隊學習等合作學習的形式；著力提高各種課外學習活動的覆蓋面和參與面，通過研究小組、討論班、報告會、俱樂部、沙龍、社團等各種載體，讓每一個學生都有鍛煉施展多方面能力和才華的舞臺。教學的關(guān)鍵點是教給學生一種思考問題的思維方法，有些知識問題的具體細節(jié)，忘記了可以查書，但思考問題的方式，一旦領悟并加以應用后，具備的是解決更多新問題、領悟更多新知識的能力，這才是教與學的關(guān)鍵。充分利用互聯(lián)網(wǎng)拓展學生網(wǎng)上學習、教師網(wǎng)上答疑、學生網(wǎng)上作業(yè)、教師網(wǎng)上批改的新途徑。
3)教學評價的綜合性與透明性融合。既然講課就是表演，演員演得如何觀眾最有發(fā)言權(quán)，采取學生匿名網(wǎng)上評議制，對每位授課教師按照統(tǒng)一的評價指標給予教學質(zhì)量評價，教師可以隨時查閱學生評價做到有則改之無則加勉，這種方式有效提高了教師的教研水平。
4)學生成績評定的多樣性與靈滑性融合。采取平時考核(20％)＋實驗考核(10％)＋學期考核(70％)作為學生的最終成績，這樣充分調(diào)動了學生學習的自主性與積極性，避免了一考定終生和逃課現(xiàn)象。
2.2 明確精品課程的內(nèi)涵
精品課程是指具有一流教師隊伍、一流教學內(nèi)容、一流教學方法、一流教材、一流教學管理等特點的示范性課程，省級精品課《自動控制理論》是由自動化系負責開設的院級平臺課，是一門理論性和實踐性都很強的課程，理論比較枯燥，難以理解，其特點是概念多、抽象，理論分析和數(shù)學計算比重大，在課程講授過程中，若不注重教學模式的改進，就會讓學生感覺似乎在學一門“數(shù)學”課，跳不出抽象的理論框架，不知道如何把該課程的理論知識應用于工程實踐中，那么，這門課程的講授就是失敗的。在課程教學改革實踐中，引入CDIO模式，以小型控制課題為導向，引導學生自覺加深理論學習，依次完成控制系統(tǒng)建模、控制器設計、仿真實現(xiàn)，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力、動手能力及課題研究能力，激發(fā)了學生的學習興趣。因此，教師要有目的、有計劃、有步驟地結(jié)合教學的具體內(nèi)容對學生進行思維方式的引導、指導和訓練，使學生理解并掌握諸如典型化、線性化等處理方法和意義，體會到數(shù)學作為一種工具處理工程問題的重要性和趣味性，使學生變被動學為主動學，提高學習積極性，既鞏固了知識體系，又樹立起工程思想。
3 基于CDIO教育理念的教學改革
探索了CDIO理念下的以研究型學習，以實際的物理對象為背景進行控制系統(tǒng)建模、控制器設計、仿真實現(xiàn)的教學模式，并相應地對教學內(nèi)容、教學手段、考試方式進行了配套改革。
3.1 教材建設
教材是教學理念的載體，是課程體系改革的核心。為了充分貫徹課程改革建設，發(fā)揮團隊的特色，自2003年開始狠抓教材建設，相繼出版了兩部理論教材：《現(xiàn)代控制理論》(中國標準出版社2003)、《自動控制原理》(21世紀高等院校優(yōu)秀教材，國防工業(yè)出版社2004)；兩部與之配套的書籍：《自動控制理論學習指導》(大連理工大學出版社2004)，《自動控制理論實驗及綜合系統(tǒng)設計》(華中科技大學出版社2008)；一部用于指導學生進行計算機輔助設計的《控制系統(tǒng)數(shù)字仿真及MAT-LAB語言》(電子工業(yè)出版社2009)。形成了理論教學、實驗教學、學習指導、CAD實現(xiàn)的系列特色教材，為知識的有效傳播奠定了基礎。
3.2 良好的開端是成功的關(guān)鍵——緒論的重要性
在緒論中重點介紹自動控制理論的發(fā)展史，研究的對象、方法及主要內(nèi)容，自動控制理論的特點和發(fā)展趨勢以及在工業(yè)生產(chǎn)、航空、航天等領域所起的重要作用。為了增強學生學習該課程的興趣，課程中利用多媒體技術(shù)制作了多個視頻資料，包括阿波羅登月、我國的神舟七號載人航天飛行、美國NASA的月球車、國際機器人大賽以及人在大腦支配下的行為過程等，并簡要介紹了這些系統(tǒng)中用到的自動控制理論知識、課程的重點及學習方法，學生由此對課程產(chǎn)生了濃厚的興趣及強烈的求知欲望，促進了學生從“要我學”到“我要學”的轉(zhuǎn)變。
3.3 強化實踐教學，提升工程實踐能力
圍繞工程實踐和創(chuàng)新精神培養(yǎng)這一目標，實踐教學構(gòu)建三層體系，突出綜合性、設計性、研究性訓練，加強課內(nèi)實驗、課程設計、畢業(yè)設計等實踐環(huán)節(jié)的有序銜接。提出以學生為主的“活躍課堂、積極實踐、學術(shù)探討、項目研究、網(wǎng)絡助學”的教學模式，進行了基于“學術(shù)探討、項目研究”的教學改革。將教學分成三個階段：課堂教學、課程設計、畢業(yè)設計。精心設計了一整套與之對應的三級項目體系：以隨堂進行的項目為三級項目，促進學生對專業(yè)核心課程的學習；以專業(yè)課程設計為二級項目，培養(yǎng)學生構(gòu)建并運用知識模塊的能力；以畢業(yè)設計為一級項目，培養(yǎng)學生用專業(yè)知識開發(fā)設計復雜系統(tǒng)和產(chǎn)品的能力。為探索CDIO教學模式，將授課教師從科研項目中提煉出來的基于團隊的三級項目與課程實驗教學有機融合，讓學生在課堂上學習理論知識，課外進行三級項目的研究，使學生自主建立起以確定項目方案、設計和仿真為主要內(nèi)容的學習體系。三級項目的最后，要求學生以撰寫項目報告和制作PPT的形式進行項目研究的匯報，改變了以往以課后習題來鞏固學生所學理論知識，類似于“紙上談兵”的學習方式。結(jié)合不同章節(jié)內(nèi)容的特點，教學骨干自行開發(fā)了所有課程的多媒體助學課件，如針對根軌跡繪制制作了全動畫多媒體課件，受到學生的普遍歡迎。這種教學模式為創(chuàng)新人才成長提供了自主性、研究性、多樣性的寬廣舞臺，促進了學生創(chuàng)新實踐能力和綜合素質(zhì)的全面提升。燕山大學學生先后在全國“飛思卡爾杯”智能車大賽、“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術(shù)科技作品競賽、“挑戰(zhàn)杯”創(chuàng)業(yè)計劃大賽以及全國電子設計競賽等許多重要賽事中均取得了十分優(yōu)異的成績。
3.4 加強網(wǎng)絡教學平臺與資源共享建設
為培養(yǎng)學生自學能力，自行研發(fā)了網(wǎng)絡綜合教學平臺，提供了15個子系統(tǒng)供師生使用，形成了一個集教學、學習、實驗、設計、考研輔導、信息交流于一體的自動控制原理在線教學的專業(yè)網(wǎng)站，實現(xiàn)了教育資源共享。以圖文并茂的形式提供豐富動感的教學內(nèi)容，利于突出重點、突破難點，優(yōu)化課堂結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造良好的網(wǎng)絡教學環(huán)境，提供教學講義、教學視頻、課后練習測試、同步訓練、在線答疑、提交作業(yè)、考研專題等多個欄目，為學生提供了豐富的教學資源。
3.5 開展研究型學習
教學中引入的工程實例倒立擺裝置是一個復雜的、不穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)，是進行控制理論教學及開展各種控制實驗的理想實驗平臺。通過對倒立擺的控制，檢驗新的控制方法是否有較強的處理非線性和不穩(wěn)定性問題的能力。同時，其控制方法在軍工、航天、機器人和一般工業(yè)過程領域中都有著廣泛的用途，如機器人行走過程中的平衡控制、火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等。教學中，將倒立擺作為工程實例貫穿整個課程，在各階段理論教學后，完成倒立擺的系統(tǒng)建模、分析及控制器設計等，提高學生的工程應用能力及學以致用的信心。
研究型學習分三個階段：(1)引導學生充分利用圖書館和網(wǎng)絡，搜集相關(guān)資料；(2)學生分成研究小組，在6周的時間內(nèi)，跟隨課程的學習進度依次完成被控對象的建模和性能分析，并完成控制器的設計，然后用Matlab/Simulink建立控制系統(tǒng)的仿真模型，對系統(tǒng)的控制性能進行仿真分析；(3)要求學生以組為單位撰寫研究報告，并以小組的形式進行研究匯報，匯報中要求小組成員全員參加，教師和其他組學生同時對研究情況進行打分評價。通過匯報，不僅可以活躍研究氛圍，加強各組學生之間的交流，開闊學生的視野，還可以檢驗每個學生在課題研究中的參與程度。
最后，可以在一、二、三級倒立擺實驗平臺上，實現(xiàn)學生自行設計的系統(tǒng)驗證。在課堂上，教師們也把工程項目的部分內(nèi)容作為教學案例介紹給學生，注重知識講授與項目實踐有機結(jié)合。在課下，教師們帶領學生積極參與科研項目研發(fā)或?qū)I(yè)競賽活動，培養(yǎng)了一批專業(yè)基礎扎實、動手能力強的優(yōu)秀學生。利用好現(xiàn)有的實驗室和實習基地，探索出了一條行之有效的工程教育模式，使學生在實際動手能力、獨立創(chuàng)新能力、團隊合作能力方面有所提高。
4 結(jié)束語
教學實踐表明，基于CDIO教育理念的教學模式可以大大提高學生的學習積極性、主動性，促進學生從“要我學”到“我要學”的轉(zhuǎn)變，有利于培養(yǎng)學生的動手能力、綜合應用能力和創(chuàng)新能力。學生反映非常喜歡這種教學模式，并提出了很多很好的建議，加強了學生和教師之間的溝通與交流，起到了教學相長的效果。
作為一種工程教育教學模式，CDIO具有先進的理念和很好的借鑒作用。將這種工程教育思想貫穿于自動化專業(yè)人才培養(yǎng)方案改革、課程體系建設、師資隊伍建設、實踐教學建設等各個方面，構(gòu)建理論與實踐相結(jié)合，技術(shù)與市場相結(jié)合的應用型人才培養(yǎng)體系，為國家、地方培養(yǎng)合格的高級專門人才，是教育工作者的不懈追求。