時間：2022-05-24 10:44:59
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[摘要]自動控制理論課是電類專業(yè)的基礎(chǔ)課程，在課程設(shè)置和學(xué)生培養(yǎng)中占有重要地位。利用控制理論基本思想，指導(dǎo)該課程的建設(shè)過程，分析了教學(xué)過程的系統(tǒng)構(gòu)成特性、制約因素及相應(yīng)的解決方法。通過多年的教學(xué)實(shí)踐，取得了較好的教學(xué)效果。
[關(guān)鍵詞]自動控制理論；系統(tǒng)分析；反饋；課程建設(shè)
0 引言
深化教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量，強(qiáng)化素質(zhì)教育是當(dāng)前高等學(xué)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(fù)“傳道、授業(yè)、解惑”職責(zé)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(xué)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(xué)策略。本文將控制理論恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用到自動控制理論教學(xué)之中，采取反饋控制手段，在教學(xué)實(shí)踐中，有效地提高教學(xué)質(zhì)量。
1 課程特點(diǎn)及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
自動控制理論課程是電氣類、機(jī)電類專業(yè)的一門理論性很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，在學(xué)生培養(yǎng)過程中占有重要的地位，一般都在大學(xué)三年級第一學(xué)期或第二學(xué)期開設(shè)。這門課有其自身的特點(diǎn)，如知識系統(tǒng)連接較為緊密、計算性強(qiáng)、作圖方法多；課程中知識點(diǎn)多且抽象，而且對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高，涉及到的數(shù)學(xué)知識包括高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、積分變換、復(fù)變函數(shù)等；與工程實(shí)際聯(lián)系較為緊密。在教學(xué)中必須要遵循由淺入深、從易到難的規(guī)律，對先修課程應(yīng)有一定程度的理解，并在此基礎(chǔ)上以系統(tǒng)的、整體的觀念實(shí)施教學(xué)。
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(shí)現(xiàn)對被控對象的有效控制，達(dá)到預(yù)期的目的。
在教學(xué)過程中，教師與學(xué)生之間的“教”與“學(xué)”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(qiáng)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(yīng)用。如何正確地應(yīng)用反饋控制理論，合理地設(shè)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(xué)質(zhì)量，正是要討論的問題。
2 課程建設(shè)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(shè)計過程和自動控制理論的教學(xué)實(shí)踐來分析教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，運(yùn)用控制理論制定對策，指導(dǎo)教學(xué)過程。
2.1 被控對象分析和目標(biāo)制定
控制系統(tǒng)設(shè)計首先是要掌握被控對象的特點(diǎn)，抓住主要矛盾，進(jìn)而制定明確而又實(shí)際的控制目標(biāo)。過低的目標(biāo)失去了控制調(diào)節(jié)的意義，過高的目標(biāo)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(xué)生(稱為基本被控對象)，目標(biāo)是合理地利用課上及課余時間讓學(xué)生在短時間內(nèi)掌握基礎(chǔ)知識，提高應(yīng)用能力；而作為教學(xué)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(biāo)是排除多方面干擾的影響，適應(yīng)社會發(fā)展的需要，合理利用教學(xué)資源，培養(yǎng)具有較強(qiáng)競爭力的學(xué)生，同時打造具有鮮明特色的專業(yè)課程。
由于課程開設(shè)在公共基礎(chǔ)課之后，大多學(xué)生在先修課程中習(xí)慣了定量化、精確化的分析方法，而疏于用物理概念進(jìn)行系統(tǒng)定性分析，特別是如何針對實(shí)際系統(tǒng)存在的問題，采取相應(yīng)的分析和設(shè)計更是他們在學(xué)習(xí)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(xué)過程中，一般都是按照教材的自然順序按部就班地進(jìn)行講解，并且課堂授課中，教師需在黑板上做大量的數(shù)學(xué)分析推導(dǎo)，繪制大量的曲線，因此課堂教學(xué)往往是索然無味的公式推導(dǎo)、定理證明和手工繪圖。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)多，設(shè)計型實(shí)驗(yàn)少，甚至存在“一鍵式”實(shí)驗(yàn)，這樣難以鍛煉學(xué)生的設(shè)計能力，對于學(xué)生自學(xué)能力的培養(yǎng)、設(shè)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(fù)反饋系統(tǒng)，包括系統(tǒng)的分析和設(shè)計兩大方面，理論知識學(xué)習(xí)的目的是系統(tǒng)設(shè)計，而系統(tǒng)分析是設(shè)計的基礎(chǔ)。分析與設(shè)計都是圍繞穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)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(fù)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(xué)，根據(jù)課程、學(xué)生及教師的特點(diǎn)，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(xué)、輔聯(lián)成一體，有助于學(xué)生加深對學(xué)習(xí)目的的認(rèn)識，掌握知識體系，提高學(xué)習(xí)效率，同時也有利于管理者從整體上把握課程建設(shè)。這正是控制理論系繞性觀點(diǎn)的體現(xiàn)。
2.2 反饋環(huán)節(jié)設(shè)置
反饋是控制理論的基礎(chǔ)和精要所在，任何系統(tǒng)只有通過反饋信息，與預(yù)先設(shè)計的目標(biāo)進(jìn)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(shí)現(xiàn)預(yù)期控制。
在教學(xué)實(shí)踐中，反饋監(jiān)測點(diǎn)的設(shè)置和反饋信息的提取與處理應(yīng)遵循點(diǎn)面結(jié)合的原則，即既要考慮與多個控制目標(biāo)(學(xué)生培養(yǎng)、教師隊(duì)伍、課程建設(shè))相關(guān)的評價指標(biāo)的設(shè)計，又要兼顧評價、反饋量提取的可行性，同時要重點(diǎn)關(guān)注制約控制效果的關(guān)鍵點(diǎn)，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(xué)中出現(xiàn)的各種偏頗。
內(nèi)環(huán)反饋信息來源于課堂教學(xué)。教師在充分備課、清晰講解的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)和學(xué)生的互動與交流，收集學(xué)生對該課程的反饋信息，及時對課程教學(xué)進(jìn)行調(diào)整。課堂學(xué)生反應(yīng)最能直接地體現(xiàn)教學(xué)效果，可以通過觀察學(xué)生的目光、給出適當(dāng)?shù)奶釂?、采取啟發(fā)式與聯(lián)想式講解、提供一定的討論和練習(xí)等不同方式來收集學(xué)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(yīng)采取多種手段，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與意識，給學(xué)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(shí)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(xué)生定期的網(wǎng)上評教和教學(xué)督導(dǎo)意見。發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)平臺作用，通過設(shè)置學(xué)生信息反饋平臺和網(wǎng)上評教系統(tǒng)，鼓勵學(xué)生將自己在學(xué)習(xí)過程中遇到的問題、對各個教學(xué)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(xué)督導(dǎo)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(xué)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(xué)生在學(xué)習(xí)該課程中存在的共性問題；通過教學(xué)形勢分析和教學(xué)方法研討可以掌握社會知識需求，同時達(dá)到取長補(bǔ)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。在控制理論中通常可以采用預(yù)測和補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ魅跗鋵敵龅挠绊?。在這里，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(xué)生、管理者)是主要的系統(tǒng)組成部分，個人的差異性，必然導(dǎo)致信息傳遞過程中的不確定性。如，學(xué)生基礎(chǔ)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(jī)變化的。應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注整體的不確定，并做好相應(yīng)的“補(bǔ)償”準(zhǔn)備。首先了解學(xué)生預(yù)備知識的掌握情況，是否需要補(bǔ)償。課程中涉及到的數(shù)學(xué)知識很多，如積分變換、拉普拉斯變換、復(fù)變函數(shù)等等，但所需知識點(diǎn)相對較孤立，因此可以利用較短時間進(jìn)行“突擊培訓(xùn)”。實(shí)踐證明，適當(dāng)?shù)摹盎A(chǔ)知識補(bǔ)償法”對于課程重點(diǎn)、難點(diǎn)的講解具有良好的輔助作用，教師和學(xué)生都減輕了壓力；其次是課堂干擾補(bǔ)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(diǎn)帶面，讓片面的反饋信息占據(jù)主導(dǎo)地位。課堂上提問式講解，教師總是希望得到正確的回應(yīng)，但不可將個別回應(yīng)作為學(xué)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(xué)生的反應(yīng)和課堂情緒，排除干擾；第三是排除評價干擾。來自學(xué)生、督導(dǎo)、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(shè)置信息過濾機(jī)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(dāng)然這個過程應(yīng)以學(xué)生反饋信息為主，其他方面反饋為輔；最后是執(zhí)行干擾補(bǔ)償。在一個完整的教學(xué)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(xué)經(jīng)驗(yàn)甚至責(zé)任心的差異，都可視為一種干擾，都可能影響教學(xué)效果。因此適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)示范課、教學(xué)基本功訓(xùn)練、定期的教研組討論、教學(xué)方法交流都是必要的補(bǔ)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(xué)管理者的作用。
教師方面。強(qiáng)調(diào)信息的雙向流動，要達(dá)到學(xué)生掌握教師傳授的知識、方法這一目的，因此教師應(yīng)該成為駕馭課堂、掌控知識的角色。授課教師要精心設(shè)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(xué)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(dǎo)、純粹理論堆積的錯覺，進(jìn)而刺激學(xué)生求知、探索的興趣和激情。鮮活生動的應(yīng)用實(shí)例，具體的視頻展示是沖擊和震撼學(xué)生這種發(fā)散思維的最好手段。需要摒棄傳統(tǒng)教學(xué)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(xué)生的興趣，取得了事半功倍的效果。此外，通過適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)經(jīng)驗(yàn)交流、教學(xué)方法討論，使每位任課教師在熟知教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)教師運(yùn)用適當(dāng)方法，調(diào)控課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生熱情的課堂應(yīng)變能力。
管理者方面。教學(xué)管理者除關(guān)心教學(xué)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(duì)伍。因此其調(diào)控行為相對要宏觀，在控制理論課程建設(shè)過程中，主要從以下幾方面著手調(diào)控。
1)教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境改善。作為重要輔助手段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在課程建設(shè)中作用不容忽視，除了更新實(shí)驗(yàn)設(shè)備之外，更注重實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的更新。通過增加開放性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計型實(shí)驗(yàn)、自主開發(fā)型實(shí)驗(yàn)，開闊學(xué)生視野，鍛煉實(shí)踐能力。
2)教學(xué)計劃適時調(diào)整。盡管目前學(xué)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(chǔ)內(nèi)容、經(jīng)典方法的學(xué)時不能壓縮。通過更新教學(xué)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(xué)手段，使教師和學(xué)生在教與學(xué)的過程中都做到得心應(yīng)手。
3)建立一定的獎懲激勵機(jī)制。結(jié)合學(xué)生評教、教學(xué)督導(dǎo)及教研室評價，對課程綜合打分，并對教學(xué)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(xué)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(xué)實(shí)踐中，筆者對“控制理論”學(xué)以致用，在充分分析課程特點(diǎn)、考察教學(xué)過程的基礎(chǔ)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(biāo)制定、反饋設(shè)置、干擾抑制、控制手段等方面找到教學(xué)活動的對應(yīng)環(huán)節(jié)，摸索出適合電類、機(jī)電類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的教學(xué)方法。同時，對其他課程體系建設(shè)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(shè)計的基本理論和基本方法，其特點(diǎn)是概念抽象、術(shù)語多、數(shù)學(xué)成分大、工程實(shí)踐性強(qiáng)，要求該課程在教學(xué)方法上進(jìn)行探索。研究并探索了該課程基于認(rèn)識論和方法論的有效教學(xué)方法，經(jīng)過近幾年的探索與實(shí)踐，教學(xué)效果良好，可為提高該課程的教學(xué)質(zhì)量和進(jìn)行有效的課堂教學(xué)提供參考。
關(guān)鍵詞：自動控制理論；有效教學(xué)；探索與實(shí)踐
自動控制理論課程是支撐我校導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制國家重點(diǎn)學(xué)科的主干課程，自1959年起即為測控工程專業(yè)學(xué)員開設(shè)，目前已面向全院本科學(xué)員，是全院性的專業(yè)基礎(chǔ)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(qiáng)、知識覆蓋面廣、基本概念和術(shù)語多，數(shù)學(xué)推導(dǎo)多。它不僅要求學(xué)生有扎實(shí)的高等數(shù)學(xué)、工程數(shù)學(xué)、復(fù)變函數(shù)、模擬電路、電工技術(shù)等課程基礎(chǔ)知識，而且還要有較強(qiáng)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(shí)(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(xué)時卻一再壓縮(課內(nèi)60學(xué)時)，要求也越來越高，并且所選用教材的內(nèi)容特點(diǎn)往往使學(xué)生因缺乏工程實(shí)踐，缺乏對實(shí)際控制系統(tǒng)的感性認(rèn)識而感到內(nèi)容比較抽象，知識點(diǎn)分散、公式多、推導(dǎo)多，進(jìn)而影響學(xué)習(xí)效果。總之，課程標(biāo)準(zhǔn)和教材內(nèi)容的特點(diǎn)讓學(xué)員感到難學(xué)，教員感到難教。該課程的改革和建設(shè)是全面提高專業(yè)課教學(xué)質(zhì)量的基礎(chǔ)，促進(jìn)學(xué)科發(fā)展的關(guān)鍵。為提高教學(xué)效果，促進(jìn)“指技合一”復(fù)合型軍事人才培養(yǎng)，我們對該課程的有效教學(xué)方法進(jìn)行了探索實(shí)踐。
1 基于認(rèn)識論和方法論的教學(xué)方法探索
1.1 從定性到定量、再到定性的分析思路
人類認(rèn)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(rèn)識論所倡導(dǎo)的規(guī)律。自動控制理論課程的目的是讓學(xué)員掌握控制的基本概念，并能夠?qū)?shí)際的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計。理解控制的概念比較容易，但要實(shí)施恰當(dāng)?shù)目刂苿t比較難。在課程教學(xué)過程中，我們經(jīng)常強(qiáng)調(diào)從定性到定量、再到定性的這一認(rèn)識過程，幫助學(xué)員掌握整個課程的分析、學(xué)習(xí)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，一個實(shí)際的系統(tǒng)要能夠進(jìn)行工作，必須對它進(jìn)行定量分析，也就是要分析其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性指標(biāo)。為了達(dá)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(xué)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(xué)模型是實(shí)施定量分析的基礎(chǔ)，有了模型并能夠?qū)ζ溥M(jìn)行求解(拉普拉斯變換和反變換)的基礎(chǔ)上，我們就能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行定量的認(rèn)識。例如對快速性的認(rèn)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(biāo)；對于穩(wěn)定性的認(rèn)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(jìn)行的；對于準(zhǔn)確性的認(rèn)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(jìn)行的。
學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中，喜歡對系統(tǒng)進(jìn)行定量分析。因?yàn)槎糠治鲇泄剑嬎愫唵?，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(xué)過程中強(qiáng)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(biāo)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(biāo)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(diǎn)和閉環(huán)極點(diǎn)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(xué)模型，因?yàn)殚_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(diǎn)和極點(diǎn)。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(dǎo)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(xué)員掌握各種分析方法的出發(fā)基點(diǎn)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(xué)員學(xué)習(xí)過程中經(jīng)常引起混淆，往往課程教學(xué)已經(jīng)結(jié)束了，學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)員只有靠機(jī)械記憶來掌握課程內(nèi)容。在教學(xué)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(jī)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(zhǔn)、快”，因此對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析就是對這三個字進(jìn)行分析，即分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性(穩(wěn)態(tài)誤差)和快速性(動態(tài)性能指標(biāo))。首先要求知道它們的準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行校正(第六章)。
當(dāng)然，對于每一種分析方法，其分析特點(diǎn)和目的也不一樣。時域分析可提供時域指標(biāo)的全部信息；根軌跡法分析具有時域分析的特點(diǎn)，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(biāo)；而頻域分析由于方法的特點(diǎn)，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(biāo)。
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(yùn)算。對系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行一定的簡化，最后進(jìn)行反饋校正進(jìn)行設(shè)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(yùn)用得相當(dāng)普遍。
2 教學(xué)實(shí)踐體會與教學(xué)效果
2.1 多從工程的角度進(jìn)行教學(xué)
自動控制的基礎(chǔ)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(diǎn)。自動控制理論是從工程實(shí)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(yán)密性和精確性，但數(shù)學(xué)特性卻不是該課程的主要特性，在教學(xué)過程中應(yīng)該強(qiáng)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(yīng)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(dǎo)過程應(yīng)該注重工程背景，而不能從純數(shù)學(xué)的角度出發(fā)進(jìn)行推導(dǎo)教學(xué)，嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)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(xué)的課程，而應(yīng)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(diǎn)進(jìn)行講授。
2.2 適當(dāng)強(qiáng)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計
自動控制理論課程的目標(biāo)有兩個：一是控制系統(tǒng)的分析；二是控制系統(tǒng)的設(shè)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(diǎn)成體系，但對控制系統(tǒng)的設(shè)計則講得較少，也就是注重基礎(chǔ)知識的講授，而忽略如何利用分析方法進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計。學(xué)員學(xué)完該課程之后，掌握了許多控制系統(tǒng)分析的方法，但對實(shí)際控制系統(tǒng)的設(shè)計基本沒有思路，總感覺無從下手。
為此，在教學(xué)過程中，筆者強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)分析方法的同時，引入另外一條控制系統(tǒng)設(shè)計的主線，以一個導(dǎo)彈控制系統(tǒng)儀器為例，從其控制原理、數(shù)學(xué)模型、時域響應(yīng)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(jìn)行分析與設(shè)計，既增加了學(xué)員學(xué)習(xí)相關(guān)知識的積極性，又提高了教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效果。
此外，原教材的知識內(nèi)容在控制系統(tǒng)的設(shè)計方面雖然篇幅較少，但是涉及相關(guān)設(shè)計的內(nèi)容都已經(jīng)融合在相關(guān)知識點(diǎn)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(shí)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(shè)計的內(nèi)容了。事實(shí)上，自動控制理論的發(fā)展在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)都是對系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)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(qiáng)調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容會犧牲對基本理論與方法的教學(xué)。引入以實(shí)際控制系統(tǒng)的設(shè)計這條主線，應(yīng)當(dāng)處理好基本理論方法與應(yīng)用之間的關(guān)系，注意把握基本理論方法與應(yīng)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(dāng)增加設(shè)計方面的內(nèi)容。
除此之外，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合和精選，引入Matlab編制的輔助教學(xué)軟件等措施，也在教學(xué)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(xué)過程中，采用基于方法論和認(rèn)識論的有效教學(xué)方法的探索和實(shí)踐，與以往的教學(xué)情況相比取得了明顯的教學(xué)效果。有學(xué)員說，通過這樣的教學(xué)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(diǎn)，哪些是難點(diǎn)，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(shí)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(dāng)然，隨著自動化技術(shù)的飛速發(fā)展，為了能夠適應(yīng)新時期對人才培養(yǎng)的需要，必須加強(qiáng)自動控制理論課程的教學(xué)改革和探索，不斷地更新和完善教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法，將自動控制理論課程的教學(xué)推向一個新的高度。
[摘要]《自動控制理論》課程為理工科院校電氣自動化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是自動控制系統(tǒng)、過程控制、智能控制等專業(yè)課的先修課程。該課程理論性、系統(tǒng)性和綜合性都很強(qiáng)，涉及到多學(xué)科的交叉。通過理論課程的學(xué)習(xí),培養(yǎng)學(xué)生分析、設(shè)計控制系統(tǒng)的能力。為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下堅實(shí)的理論基礎(chǔ)。
[關(guān)鍵詞]自動控制理論 課程改革 綜合實(shí)踐
《自動控制理論》課程是我院重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，近幾年，我們通過課程建設(shè)，建立了新的自動控制課程體系，確立以系統(tǒng)分析、系統(tǒng)建模、系統(tǒng)綜合為自動控制理論課程的主線，構(gòu)建由時域分析、復(fù)域分析、頻域分析、離散系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)５個模塊構(gòu)成的知識體系。在教學(xué)過程中，把自動控制、計算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)有機(jī)地融為一體，使學(xué)生對控制系統(tǒng)的組成、分析、設(shè)計、綜合等各個環(huán)節(jié)有全面的理解，并通過一系列的實(shí)踐環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力。
一、課程體系科學(xué)化
《自動控制理論》是一門知識覆蓋面廣、內(nèi)容多、更新發(fā)展快、理論性和抽象性都很強(qiáng)，具有一定深度和復(fù)雜性的課程，教師難教，學(xué)生難學(xué)。隨著本科生教育的繼續(xù)鞏固和研究生教育的不斷發(fā)展我們對課程體系進(jìn)行了改革，制定了新的自動控制理論教學(xué)大綱，對課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化，建立了一套適應(yīng)性強(qiáng)的包括理論講授、計算機(jī)輔助設(shè)計、實(shí)踐教學(xué)和強(qiáng)化訓(xùn)練等方面在內(nèi)的全方位教學(xué)新體系。
1.開發(fā)研制了計算機(jī)輔助教學(xué)課件
自動控制理論CAI課件的設(shè)計是一種根據(jù)教學(xué)大綱的要求，經(jīng)過教學(xué)目標(biāo)確定教學(xué)內(nèi)容和任務(wù)分析的教學(xué)媒體，是利用計算機(jī)進(jìn)行教學(xué)活動的交互方式?！蹲詣涌刂评碚摗氛n是專業(yè)基礎(chǔ)課，所以，在教學(xué)中應(yīng)加強(qiáng)“三基礎(chǔ)”教學(xué)，即基本理論、基本知識和基本技能，既要保證本學(xué)科的系統(tǒng)性、完整性，又要考慮專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)對課程的要求。在進(jìn)行CAI課件的設(shè)計時，我們依據(jù)以下三點(diǎn)：（一）以教學(xué)大綱為依據(jù)，充實(shí)和更新教學(xué)內(nèi)容；（二）在教學(xué)中要做到保證基礎(chǔ)教學(xué)，加強(qiáng)近代教學(xué)，聯(lián)系實(shí)際教學(xué)，涉及前沿教學(xué)；（三）完善CAI模式，使課程結(jié)構(gòu)體系更趨合理。教學(xué)課件以教材為藍(lán)本，含簡明、清晰的授課講義、例題演示、控制系統(tǒng)計算機(jī)仿真和控制系統(tǒng)分析計算等內(nèi)容，既有課本內(nèi)容的直接再現(xiàn)，又增加了很多有助于講解理論和計算方法的表現(xiàn)手段。課件以計算機(jī)為載體，既可用于課堂教學(xué)，又可通過上網(wǎng)及安裝于學(xué)院計算機(jī)中心的方式，供學(xué)生進(jìn)行自學(xué)和課后復(fù)習(xí)使用。
2.根據(jù)教學(xué)目標(biāo)確定教學(xué)方法
在教學(xué)中采用啟發(fā)式教學(xué)，注意培養(yǎng)學(xué)生的思維方法。如在對自動控制理論的講授過程中我們始終圍繞著系統(tǒng)的建模、分析、綜合這條主線展開課程內(nèi)容，花大氣力以一個典型的系統(tǒng)為例進(jìn)行系統(tǒng)模型的建立，通過采用不同的控制器引出常用的一階、二階系統(tǒng)進(jìn)行典型系統(tǒng)的分析和系統(tǒng)的綜合，然后對相關(guān)的內(nèi)容講思路、講方法、做比較，這樣以點(diǎn)帶面舉一反三，同時布置適當(dāng)?shù)牧?xí)題去強(qiáng)化對主線的認(rèn)識從而形成科學(xué)的思維方法。在課堂教學(xué)中注重教與學(xué)的互動。教師少講、精講，鼓勵學(xué)生自學(xué)。對課程的重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行課堂提問，對帶有普遍意義或難點(diǎn)的問題事先布置，積極展開課堂討論。
二、更新教學(xué)理念
1.抓住重點(diǎn)掌握基本概念
《自動控制理論》引入了一系列互相關(guān)聯(lián)的基本概念，如穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性，輸入與輸出，動態(tài)與穩(wěn)態(tài)，反饋與前饋等，這些基本概念形成了本課程的知識要點(diǎn)，是學(xué)習(xí)理解的重點(diǎn)。要掌握好基本概念，首先應(yīng)該從這些抽象概念的建立過程中加深對其理解，建立概念與其反映事物間的聯(lián)系,搞清概念與相關(guān)概念之間的聯(lián)系和區(qū)別，然后在實(shí)際應(yīng)用中加深對其的認(rèn)識。
2.抓住主線建立不同方法間的聯(lián)系
穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性是對控制系統(tǒng)的基本要求，也是系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。穩(wěn)、準(zhǔn)、快貫穿了時域分析、根軌跡分析和頻域分析方法的始終，也是系統(tǒng)綜合設(shè)計要滿足的性能要求。在本課程的學(xué)習(xí)中，以穩(wěn)、準(zhǔn)、快為主線，建立各種系統(tǒng)分析與設(shè)計方法之間的聯(lián)系，有助于對課程內(nèi)容的理解和掌握。
3.提高綜合分析能力
《自動控制理論》既是專業(yè)基礎(chǔ)理論課程，又是一門科學(xué)方法論。研究的內(nèi)容既有一定的復(fù)雜性，又有一定的普遍性。因此，在學(xué)習(xí)中不僅要掌握教材中的結(jié)論，更要掌握其中體現(xiàn)出來的研究方法，培養(yǎng)系統(tǒng)的觀念，提高綜合分析問題的能力。
4.學(xué)會自學(xué)
要善于在學(xué)習(xí)中提出問題，解決問題，學(xué)會探究式學(xué)習(xí)，廣閱參考書，拓寬視野，從更多控制系統(tǒng)的實(shí)例分析中，提高分析問題和解決問題的能力。利用提供的網(wǎng)上教學(xué)資源深入學(xué)習(xí)。
5.注重理論和實(shí)踐相結(jié)合
反饋的現(xiàn)象比比皆是，反饋也是控制的精髓。在本課程的學(xué)習(xí)中，結(jié)合生產(chǎn)、生活實(shí)際，觀察反饋系統(tǒng)的構(gòu)成，將有利于對反饋的深入理解和認(rèn)識，并自覺地將反饋應(yīng)用到各種實(shí)際系統(tǒng)中去，學(xué)以致用。
6.主動參與教學(xué)
對學(xué)習(xí)中的收獲、體會及心得、對教學(xué)的意見或建議、在學(xué)習(xí)中遇到的問題，通過網(wǎng)上的在線區(qū)或通過任課教師向課程組反映，課程組教師將隨時給予答復(fù)。
三、 實(shí)驗(yàn)教學(xué)多樣化
自動控制理論的實(shí)驗(yàn)教學(xué)既要培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力還要重視培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力。為此我們制訂了新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，重新編制了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，自動控制理論實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書增加了每個實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的涵蓋量，增加了綜合性實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，注意充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，注重教與學(xué)的互動，盡量只講基本的操作方法，然后讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問題。實(shí)驗(yàn)操作課上，每個學(xué)生必須獨(dú)立完成每次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，并且回答老師針對實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)中的問題的提問，得到自己的結(jié)論。保證實(shí)驗(yàn)課的質(zhì)量，全面檢查實(shí)驗(yàn)操作。這樣督促學(xué)生認(rèn)真完成每次的實(shí)驗(yàn)操作，起到了很好的效果。
四、科學(xué)、有效的教學(xué)效果評價
教學(xué)評價是教學(xué)活動的一個重要組成部分，恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)評價對學(xué)生的學(xué)習(xí)具有引導(dǎo)、激勵和改進(jìn)的作用。我們不是“一卷定乾坤”的評價方式，而是建立了從學(xué)習(xí)過程、作業(yè)練習(xí)到期末考試，定性評價與定量評價相結(jié)合，多視角、多元化的過程性評價體系?？茖W(xué)有效的教學(xué)評價幫助學(xué)生克服了應(yīng)試心理，從重“結(jié)果”走向重“過程”，從重“知識”走向重“能力”。注重對學(xué)生平時學(xué)習(xí)狀況與效果的考查，增加了實(shí)驗(yàn)考核，并將其按比例計入期末總成績，對考試從內(nèi)容、形式和管理上改革，使其更加科學(xué)、規(guī)范、公平。
五、結(jié)束語
多年來我們不斷對控制理論課程進(jìn)行探索和改革，做了大量細(xì)致而有效的工作，從而保證了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。在總結(jié)本科教學(xué)成果的基礎(chǔ)上，我們跟蹤國內(nèi)外控制理論的發(fā)展，借鑒兄弟院校在該課程的先進(jìn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對課程體系、知識結(jié)構(gòu)、教學(xué)方法和實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行了一系列改革與創(chuàng)新，使“自動控制理論”課程從課程的準(zhǔn)確定位、課程體系和教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化、教學(xué)過程的組織實(shí)施到教學(xué)效果的評價，形成了一套新的、更為有效的教學(xué)規(guī)范。它不僅提高了本課程的教學(xué)質(zhì)量，同時為后續(xù)課程奠定了良好基礎(chǔ)、起到了促進(jìn)作用。
（作者單位：山東建筑大學(xué)信電學(xué)院 山東濟(jì)南）
摘要： 為了更好地適應(yīng)新形勢下自動控制理論的教學(xué)，本文從課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)實(shí)踐、考核形式等方面進(jìn)行了改革探索實(shí)踐，提出了一系列較為行之有效的措施和方法，對自動控制理論的教學(xué)起到了良好的效果。
關(guān)健詞： 自動控制理論 課程教學(xué) 教學(xué)改革 實(shí)踐
1.引言
自動控制理論是非?；钴S的一個學(xué)科，它不僅僅是自動化專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，還在航天、農(nóng)業(yè)、交通、電氣、機(jī)械制造等工程學(xué)科中都有非常廣泛、重要的應(yīng)用。隨著計算機(jī)控制技術(shù)、通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動控制理論處于一個關(guān)鍵的歷史時期，正向著“廣度”和“深度”兩個方面快速發(fā)展和開拓。但是，由于該課程具有概念抽象、涉及的數(shù)學(xué)知識較多、工程實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，不少教師感到“難教”，學(xué)生也感到“抽象”難學(xué)，教學(xué)質(zhì)量難以得到根本的保證。因此，在自動控制理論的教學(xué)工作中，針對社會發(fā)展變革對其新的要求，針對自動控制原理的課程特點(diǎn)，探索新的教學(xué)方法是非常重要和必要的。
2.課程教學(xué)改革的思路與實(shí)踐
2.1堅持課程地位，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。
自動控制理論是一門理論性很強(qiáng)的課程，學(xué)生在學(xué)習(xí)該課程的時候還未接觸過專業(yè)課程，因此，在學(xué)生剛開始接觸這門課程的時候，不能一味地只對其灌輸純粹理論，講述公式推導(dǎo)。過深的專業(yè)術(shù)語、過多的數(shù)學(xué)公式會使他們對這門課程產(chǎn)生畏難思想。興趣是最好的老師，教師從第一堂課開始就應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生對這門課的興趣，摒棄傳統(tǒng)教學(xué)中發(fā)展歷史的簡單羅列，代之以聲情并茂的圖文、視頻展示，如此既能融入大量專業(yè)信息，又能激發(fā)學(xué)生求知、探索的興趣和激情，讓學(xué)生真正理解和體會到自動控制理論課程在自動化專業(yè)中所處的重要位置。
2.2打破傳統(tǒng)課程體系結(jié)構(gòu)的約束。
傳統(tǒng)的課程體系是將控制原理中經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩大部分內(nèi)容分割開來，自成體系，獨(dú)立開課。從教學(xué)的效果來看，這樣的講授方式不利于學(xué)生建立自動控制學(xué)科基礎(chǔ)理論和方法的總體框架。因此，我們在對課程的教學(xué)中，盡管仍然分為自動控制理論和現(xiàn)代控制理論兩門課，但在整個課程的教學(xué)體系上已經(jīng)完全打破了舊體系的約束，將經(jīng)典與現(xiàn)代控制理論融會貫通進(jìn)行教學(xué)。例如，在講述控制對象的微分方程模型和傳遞函數(shù)模型的同時引入系統(tǒng)狀態(tài)空間的概念，繼而講解狀態(tài)空間和傳遞函數(shù)這兩種系統(tǒng)描述之間的相互轉(zhuǎn)換。通過這樣一個過程，就可以將經(jīng)典控制理論與現(xiàn)代控制理論的基本思路有機(jī)地結(jié)合。實(shí)踐證明，利用這種教學(xué)方式，不僅能夠使學(xué)生更好地認(rèn)識控制理論的體系結(jié)構(gòu)，還提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的靈活性和主動性。
2.3加強(qiáng)數(shù)學(xué)知識的學(xué)習(xí)。
自動控制理論課程涉及較多的數(shù)學(xué)知識，包括高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、積分變換、復(fù)變函數(shù)及矩陣論等數(shù)學(xué)知識。大量的數(shù)學(xué)知識常常令學(xué)生倍感學(xué)習(xí)壓力，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)不好的學(xué)生更是顧慮重重，畢竟自動化系的學(xué)生是工科學(xué)生，不是純理科學(xué)生。但是由于自動控制理論課程其自身的特點(diǎn)決定了學(xué)好該門課程必須具備一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。所以，在教學(xué)過程中，教師應(yīng)當(dāng)根據(jù)課程的進(jìn)度，有計劃地給學(xué)生補(bǔ)習(xí)諸如拉普拉斯變換、傅立葉變換、三角變換、積分變換、留數(shù)定理、矩陣分析等數(shù)學(xué)知識，給學(xué)生創(chuàng)造一個相對輕松的心理環(huán)境。
2.4強(qiáng)化工程意識，培養(yǎng)工程能力。
自動控制理論課程雖然與數(shù)學(xué)等課程聯(lián)系緊密，但該課程決不等同于數(shù)學(xué)課程。在該課程的教學(xué)中，我們從理論和工程應(yīng)用相結(jié)合的角度，注意強(qiáng)化學(xué)生的工程意識，提高其工程實(shí)踐能力。例如：在講解系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型――微分方程的求解中，詳細(xì)分析微分方程的解所對應(yīng)的實(shí)際系統(tǒng)中的含義，使學(xué)生深刻理解數(shù)學(xué)意義與物理意義以及實(shí)際工程之間的聯(lián)系。
2.5加強(qiáng)現(xiàn)代教學(xué)手段的使用。
隨著當(dāng)今信息技術(shù)地發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的進(jìn)一步完善，現(xiàn)代教學(xué)越來越多地依托于各種新興的信息技術(shù)和設(shè)備。這些技術(shù)設(shè)備不僅可以有效地豐富教學(xué)手段，還可以很好地開展網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程教育。自動控制理論課程的圖形示意、圖解分析較多，傳統(tǒng)的板書方式很難直觀形象地表達(dá)出來，因此適當(dāng)?shù)夭捎枚嗝襟w課件等現(xiàn)代化教學(xué)手段有助于學(xué)生理解。比如，在講述動態(tài)“過渡過程”的概念時，采用多媒體授課方式可以將系統(tǒng)的過渡過程生動形象地表現(xiàn)出來，給學(xué)生提供最形象、直觀的教學(xué)演示，有利于學(xué)生對抽象概念的理解，加深學(xué)生對這些知識點(diǎn)的理解，能夠取得非常好的教學(xué)效果。
2.6注重實(shí)踐教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。
理論知識需要實(shí)踐性教學(xué)的支持，實(shí)踐性教學(xué)對鞏固理論知識、培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力及開發(fā)他們的創(chuàng)造力都有重要的作用。而自動控制理論又是一門與實(shí)際緊密聯(lián)系的課程，一般都安排在大學(xué)三年級第一學(xué)期，是學(xué)生接觸較早的一門專業(yè)課。初學(xué)專業(yè)課的學(xué)生對實(shí)際的自動控制系統(tǒng)和常見的控制元件、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等都沒有直觀的認(rèn)識，對于該課程如果僅限于對知識的講解，那么無論講得怎么透徹，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往還是感到抽象難懂，在具體問題中，也不能夠靈活運(yùn)用課程中學(xué)到的知識和方法去解決。因此，引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并且在實(shí)驗(yàn)過程中把理論知識的講解和實(shí)際運(yùn)用結(jié)合起來，會收到很好的效果，既使學(xué)生親身體驗(yàn)控制理論的具體方法和思想，對解決實(shí)際問題能力的提高大有幫助，同時也有助于進(jìn)一步深化理解所學(xué)的理論知識。
2.7考核形式的改革。
科學(xué)地運(yùn)用考試的檢查評價、教育激勵、反饋調(diào)控、培養(yǎng)督導(dǎo)等功能對提高教育質(zhì)量、推進(jìn)素質(zhì)教育會產(chǎn)生不可替代的作用?？荚囆问郊俺煽兊脑u定，對于調(diào)動學(xué)生的積極性及提高學(xué)生的素質(zhì)有重要的作用，為了檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，可以將考試成績劃分為四個組成部分：平時成績20%（包括作業(yè)、出勤率和平時課堂學(xué)習(xí)表現(xiàn)）、實(shí)驗(yàn)20%（包括實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報告）、期中考試20%、期末考試40%。這種考核形式改變了一考定終身的考核制度，而對平時的學(xué)習(xí)及實(shí)踐提出了更高的要求。結(jié)果表明，這種考核方式不僅使學(xué)生對于理論知識有很好的掌握，還充分地調(diào)動了學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的積極性，減輕了學(xué)生考試的負(fù)擔(dān)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。
3.結(jié)語
對自動控制理論課程的教學(xué)改革和實(shí)踐切實(shí)提高了教學(xué)的靈活性和開放性，提高了學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新能力。隨著控制理論研究的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，控制理論思想的發(fā)展和進(jìn)步，在教學(xué)過程中應(yīng)該不斷發(fā)展和更新教學(xué)內(nèi)容。
【摘 要】隨著科學(xué)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(yīng)用，并且對電力事業(yè)的發(fā)展起到了一定的促進(jìn)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(jìn)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(jī)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(yīng)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(jìn)而在工業(yè)生產(chǎn)與生活中得到了普遍的應(yīng)用。本文主要對火電廠熱工自動化現(xiàn)狀進(jìn)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(shí)際應(yīng)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(lǐng)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(rèn)為輔助車間的作業(yè)是可以間斷的，不需要具備很強(qiáng)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(jìn)行生產(chǎn)。而對于發(fā)電機(jī)、汽機(jī)、鍋爐等控制系統(tǒng)而言，均需要進(jìn)行長時間的可靠運(yùn)行，要求具有較好的模擬控制量，進(jìn)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(yùn)行。
其次，在鍋爐燃燒過程中，一定要加強(qiáng)對AP論域的控制，也就是兩個運(yùn)行周期的鍋爐壓力變化差論域。對燃燒周期進(jìn)行自動調(diào)整，可以對燃燒速度進(jìn)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?yàn)殡`屬的函數(shù)曲線變化是互相交錯重疊的，所以，在進(jìn)行實(shí)際控制的時候，一定要加強(qiáng)對鍋爐運(yùn)行情況分析，保證其具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。
最后，在測量鍋爐汽包液位的時候，因?yàn)槠何幌到y(tǒng)缺乏平衡能力的被控對象。當(dāng)供水量出現(xiàn)變化的時候，因?yàn)殄仩t傳遞給汽包的熱量是一致的，非常容易導(dǎo)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(zhǔn)確。其主要存在兩種情況：一是，當(dāng)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(dāng)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(shè)計鍋爐汽包液位檢測回路的時候，經(jīng)常忽略這一問題，導(dǎo)致影響了鍋爐的正常運(yùn)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(luò)的基礎(chǔ)上，形成的一種自動化系統(tǒng)，盡管其可以繼續(xù)向上擴(kuò)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(shí)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(jìn)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(shè)備極的模塊，在一個模塊上實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制與故障報警功能，并且在網(wǎng)絡(luò)通訊中，也可以實(shí)現(xiàn)模塊的相互傳遞。一個設(shè)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(xiàng)功能，就要進(jìn)行很多的復(fù)雜操作。在運(yùn)行調(diào)試、下載修改、遠(yuǎn)程診斷等方面，PLC控制系統(tǒng)無法進(jìn)行有效的作業(yè)。而DCS控制系統(tǒng)可以進(jìn)行有效的處理，并且通過多年的經(jīng)驗(yàn)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(jìn)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(qiáng)火電電源的建設(shè)，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(jìn)了自動化控制技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)而在火力發(fā)電行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，促進(jìn)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(yīng)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(jī)組能夠安全運(yùn)行的重要監(jiān)測參數(shù)，同時也是調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷與平衡鍋爐汽機(jī)能量的重要指標(biāo)。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(jìn)行調(diào)節(jié)。鍋爐燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要包括：引風(fēng)調(diào)節(jié)、燃料調(diào)節(jié)、送風(fēng)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(jìn)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(chǔ)上，增加對燃煤量的導(dǎo)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(jìn)行導(dǎo)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(dāng)成是導(dǎo)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(jī)技術(shù)、熱能技術(shù)等相關(guān)技術(shù)，對熱力學(xué)參數(shù)展開一定的控制與檢測，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程對控制、檢測、調(diào)節(jié)、整理、優(yōu)化，進(jìn)而達(dá)到安全生產(chǎn)，實(shí)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(shí)現(xiàn)鍋爐、汽機(jī)、輔助設(shè)備運(yùn)行的自動化，保證機(jī)組自動化運(yùn)行的高效性、可靠性、安全性，并且確保生產(chǎn)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。
隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，自動化技術(shù)的不斷進(jìn)步，促進(jìn)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(shè)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(shè)備越來越先進(jìn)，實(shí)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(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用，并且促進(jìn)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(jì)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(xué)技術(shù)手段的不斷增加，智能化、透明化、無線化、網(wǎng)絡(luò)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(hù)、控制等方面的內(nèi)容也越來越關(guān)注。在機(jī)組運(yùn)行過程中，應(yīng)用了很多的新測量方法與理論，實(shí)現(xiàn)了其運(yùn)行與故障處理的自動化控制，促進(jìn)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(qiáng)熱工自動化產(chǎn)品的應(yīng)用，不僅可以增強(qiáng)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(jì)效益與社會效益。在火電廠熱工自動化中應(yīng)用自動控制理論，可以促進(jìn)火電廠生產(chǎn)自動化水平的不斷提高，達(dá)到預(yù)期的生產(chǎn)目標(biāo)，進(jìn)而實(shí)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(xué)控制工程基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)要求，利用虛擬儀器軟件及其Control & Design Toolkit（CDT）開發(fā)一個虛擬實(shí)驗(yàn)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(diǎn)模型、控制系統(tǒng)分析、二階瞬態(tài)響應(yīng)。該系統(tǒng)作為控制理論基礎(chǔ)課程的輔助教學(xué)軟件，提高了學(xué)生掌握知識與技能的效率，達(dá)到了將實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)引入課堂的良好效果。
關(guān)鍵詞 虛擬實(shí)驗(yàn) 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(xué)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(xué)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備。而隨著各學(xué)科實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和學(xué)生人數(shù)的增多，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量很難滿足學(xué)生的需求。因此，虛擬仿真教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室作為一種有效的解決方案應(yīng)運(yùn)而生，在各大高校已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，并且成為高等教育實(shí)驗(yàn)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(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，①②在教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中也得到了應(yīng)用發(fā)展。
在控制理論實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)研究中，許多學(xué)校根據(jù)自己的需要，利用LabVIEW開發(fā)了多種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。②③④⑤⑥
上海開放大學(xué)具有11萬注冊的在校生，教學(xué)與實(shí)驗(yàn)的條件受場地、時間、空間和設(shè)備的限制，較普通高校更為嚴(yán)峻。網(wǎng)絡(luò)課程與虛擬實(shí)驗(yàn)在開放大學(xué)的應(yīng)用顯得尤為重要。
本文根據(jù)本校實(shí)驗(yàn)要求內(nèi)容，利用虛擬儀器軟件開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從而方便學(xué)生進(jìn)行不定時、不定點(diǎn)地實(shí)驗(yàn)。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計思路
上海開放大學(xué)學(xué)生多為在職，他們利用晚上和周末進(jìn)行繼續(xù)學(xué)習(xí)，這使得他們具有以下特點(diǎn)：具有比較豐富的工作經(jīng)驗(yàn)，學(xué)習(xí)更側(cè)重理解并應(yīng)用，學(xué)生的學(xué)習(xí)時間受限制。趙教授的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書正是基于學(xué)生的特點(diǎn)而編寫的。通過實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)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(shè)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(diǎn)模型、控制系統(tǒng)分析、二階瞬態(tài)響應(yīng)（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(shè)計及展示
2.1 初始界面
系統(tǒng)設(shè)計一個初始界面，它通過選項(xiàng)卡和菜單按鈕方式進(jìn)入各功能模塊。初始界面顯示該實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(yīng)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(jìn)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(diǎn)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(diǎn)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(shè)計了典型的一階、二階系統(tǒng)的時域響應(yīng)。調(diào)整其參數(shù)，可得到不同的響應(yīng)曲線，以便進(jìn)行對比分析。模塊運(yùn)行界面如圖4所示。
2.5 二階瞬態(tài)響應(yīng)模塊
此模塊專門分析二階系統(tǒng)的時域響應(yīng)。影響二階系統(tǒng)的各個參數(shù)都可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便觀察系統(tǒng)的響應(yīng)特性，從而更為清楚地理解系統(tǒng)特性。模塊運(yùn)行界面如圖5所示。
3 結(jié)語
仿真的實(shí)驗(yàn)界面能夠加強(qiáng)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的興趣，通過調(diào)節(jié)不同參數(shù)，可直接觀測到各種實(shí)驗(yàn)過程。采用虛擬儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器，有效的降低了硬件配置和實(shí)驗(yàn)成本。
實(shí)驗(yàn)充分利用了LabVIEW語言的靈活、開放，人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，使用方便，具有良好的通用性和擴(kuò)展性。
【摘 要】近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)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(jī)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(qiáng)的智能電網(wǎng)也一直是國家電網(wǎng)的奮斗目標(biāo)。由于自動控制理論的應(yīng)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(yīng)用及其效果評估進(jìn)行了分析和研究，并進(jìn)行了簡要的闡述。
【關(guān)鍵詞】電力業(yè) 自動控制理論 應(yīng)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(yàn)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(yīng)用先進(jìn)的自動控制理論。隨著我國不斷推進(jìn)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(yīng)用，本文將針對自動控制理論在電力業(yè)中的應(yīng)用及其應(yīng)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(xué)的核心，走過了漫長的發(fā)展階段，從20世紀(jì)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(yùn)籌學(xué)等多掙學(xué)科并在此基礎(chǔ)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(rèn)可，在電力、機(jī)械、采掘等諸多領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。
三、電力業(yè)中自動控制理論的應(yīng)用
（一）電力系統(tǒng)的自動化
電力系統(tǒng)的自動化是通過運(yùn)用自動控制理論，對整個電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，對電力系統(tǒng)運(yùn)行中的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)指標(biāo)實(shí)時進(jìn)行采集與分析，并根據(jù)分析結(jié)果對電力系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而使電力系統(tǒng)的運(yùn)行更加安全穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效能也得到較大提高，是自動控制理論在電力業(yè)中應(yīng)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(shè)備市場需求結(jié)構(gòu)圖
（二）電力業(yè)中應(yīng)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(jìn)的自動控制理論與技術(shù)逐漸被應(yīng)用到電力行業(yè)中來：
1.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(xué)習(xí)能力較強(qiáng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)可以將大量的電氣設(shè)備像神經(jīng)元一樣連接起來，形成一個復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并且通過自身學(xué)習(xí)的算法，對整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中復(fù)雜的線性關(guān)系和大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，在電力行業(yè)中有著重要的應(yīng)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(yīng)急處理等多項(xiàng)任務(wù)，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(diǎn)隔離等方面有著較好的應(yīng)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(yīng)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(yuǎn)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(yīng)用價值，對電力系統(tǒng)也有著較高的應(yīng)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(jī)的結(jié)合起來，應(yīng)用到電力系統(tǒng)中。在實(shí)際運(yùn)行中，可以通過綜合運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用。
（三）電力業(yè)中自動控制理論的應(yīng)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(jìn)一步發(fā)展。將自動控制理論應(yīng)用到電力行業(yè)中后，能夠促進(jìn)電力系統(tǒng)的不斷完善，取得較好的應(yīng)用效果。
1.實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度自動化。應(yīng)用自動控制理論對實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度自動化有著較大的推動作用，實(shí)現(xiàn)了對電力系統(tǒng)運(yùn)行時各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)控與采集分析，并通過控制系統(tǒng)不斷進(jìn)行調(diào)整，從而使電力系統(tǒng)始終運(yùn)行在最佳狀態(tài)下，大大提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全與穩(wěn)定性，并且降低了設(shè)備的損耗，提高了經(jīng)濟(jì)效益。
2.實(shí)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(fù)雜。通過應(yīng)用自動控制理論，在變電站遠(yuǎn)動裝置控制、信號檢測控制以及繼電保護(hù)控制等多個方面有了較大的優(yōu)化和提高實(shí)現(xiàn)了對變電站運(yùn)行的實(shí)時監(jiān)控，促進(jìn)了變電站運(yùn)行的自動化，從而大大降低了運(yùn)行成本，提高了輸送電能的質(zhì)量，增加了經(jīng)濟(jì)效益。
3.實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動化。通過運(yùn)用自動控制理論，實(shí)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(fù)荷，提高了配電網(wǎng)運(yùn)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(yīng)用，能夠提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠性，降低電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，有著顯著的應(yīng)用效果。
四、結(jié)束語
隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的進(jìn)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(yīng)用，取得了較好的效果，對推進(jìn)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(jìn)步。
[摘 要]隨著技術(shù)工具的進(jìn)步如半導(dǎo)體微電子學(xué)、光學(xué)和光電子學(xué)、計算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)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(fù)雜，這樣就對自動控制理論以及其實(shí)際運(yùn)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(lǐng)域的運(yùn)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(fù)雜性的增加，不確定因素的增多，要求各控制理論分支有進(jìn)一步的發(fā)展，彌補(bǔ)各理論分支的缺點(diǎn)與不足，以滿足更高的控制性能指標(biāo)?，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(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域的研究大都剛剛起步，或處于初級階段，遠(yuǎn)未達(dá)到人們的期望。而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程的模型一般都很復(fù)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(lǐng)域推廣到非線性復(fù)雜系統(tǒng)有重要的實(shí)際意義。另外與宏觀復(fù)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(xué)科領(lǐng)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(dǎo)體、計算機(jī)等技術(shù)的快速發(fā)展也強(qiáng)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(xué)，它的產(chǎn)生可追溯到18 世紀(jì)中葉的第一次技術(shù)革命，1765年瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī)，應(yīng)用離心式飛錘調(diào)速器原理控制蒸汽機(jī)，標(biāo)志著人類以蒸汽為動力的機(jī)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(rèn)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(jī)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(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》，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(xué)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(jì)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(chǔ)的頻域分析法，它的控制思想首先旨在對機(jī)器進(jìn)行“調(diào)節(jié)”，使之能夠穩(wěn)定運(yùn)行，其次是采用“反饋的方式，使得一個動力學(xué)系統(tǒng)能夠按照人們的要求精確地工作，最終實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)按指定目標(biāo)進(jìn)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(jì)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(xué)者卡爾曼等人將古典力學(xué)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(chǔ)。
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(xué)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(shí)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(xué)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(xué)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(yán)格的數(shù)學(xué)方法研究新的工具來對復(fù)雜的“環(huán)境2對象”模型進(jìn)行建模和識別以實(shí)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(wù)的控制設(shè)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(jìn)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(xué)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(xué)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(xué)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(shí)驗(yàn)室）各取前三個字母組成的，意思是“矩陣實(shí)驗(yàn)室”。
2.Matlab的特點(diǎn)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(fēng)靡世界，可靠的數(shù)值和符號運(yùn)算能力、簡單易學(xué)的程序語言、強(qiáng)大的圖形和可視化的功能以及為數(shù)眾多的運(yùn)用工具寶石Matlab區(qū)別與其他科技應(yīng)用軟件的顯著特點(diǎn)。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(yùn)算和分解；數(shù)組運(yùn)算；矩陣操作；多項(xiàng)式和有理分式運(yùn)算；數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、差分和數(shù)組導(dǎo)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(yīng)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(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的習(xí)慣形式十分相似，簡單易學(xué)。完全不需要對矩陣的乘法和求逆進(jìn)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(yuǎn)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(yīng)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(jìn)行圖形和坐標(biāo)的標(biāo)識、坐標(biāo)控制、圖形的迭繪、視角和光照設(shè)計、色彩精細(xì)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(jìn)行操作的“底層（low level）”指令，使用戶可以隨心所欲地對圖形進(jìn)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(xué)生人數(shù)的逐年增加，全英文專業(yè)課程的教學(xué)已在中國大學(xué)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(xué)中的問題與挑戰(zhàn)。從該課程的特點(diǎn)出發(fā)，討論了保證全英文專業(yè)課教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵措施和經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：全英文教學(xué)；自動控制原理；教學(xué)方法
自動化技術(shù)在社會生產(chǎn)和生活中具有廣泛的應(yīng)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(chǔ)。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(shè)計最基礎(chǔ)的思路方法，是自控專業(yè)學(xué)生能力培養(yǎng)的基石。隨著經(jīng)濟(jì)全球化和中國經(jīng)濟(jì)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(shí)。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(qiáng)。中國大學(xué)留學(xué)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(xué)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(xué)教育對全英文專業(yè)課程教學(xué)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(yīng)這種教育國際化的形式而設(shè)置的。目前中國大學(xué)教育處于走向國際化的初步階段，探索并交流適應(yīng)現(xiàn)階段形式的全英文課程教學(xué)方法提高全英文教學(xué)質(zhì)量是非常必要的。
一、課程特點(diǎn)與教學(xué)對象分析
《自動控制原理》課程是一門理論性非常強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，面向電類專業(yè)中國本土學(xué)生和留學(xué)生開設(shè)。該課程對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識要求比較高，課程用全英文開設(shè)，還需要學(xué)生具有較強(qiáng)的英文聽力和閱讀理解力，作業(yè)和實(shí)驗(yàn)報告等需要學(xué)生有較強(qiáng)的英語書面表達(dá)能力。該課程設(shè)有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，在有留學(xué)生參與的實(shí)驗(yàn)小組進(jìn)行系統(tǒng)分析與設(shè)計的團(tuán)隊(duì)工作，不僅需要學(xué)生有較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)操作能力還需要學(xué)生具有良好的專業(yè)英語口頭溝通能力?！蹲詣涌刂圃怼氛n程是自控專業(yè)的基礎(chǔ)課程，在大學(xué)三年級上半年開設(shè)，是其他自控專業(yè)課的基礎(chǔ)，只有很好地理解和掌握控制原理的基礎(chǔ)知識，才能繼續(xù)學(xué)習(xí)好后續(xù)的其他專業(yè)課。目前我校留學(xué)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(xué)班一般由本土學(xué)生和來自非洲、歐洲、美國、亞洲等不同地區(qū)的留學(xué)生組成。由于學(xué)生們的背景不同，學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、英語程度、接受能力、思維習(xí)慣和特點(diǎn)都具有一定的差異。一般來講，本土學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)較好一些，英語閱讀能力較強(qiáng)，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(xué)生，因其有限的英語程度，在課程學(xué)習(xí)和交流中具有一定困難。從已開設(shè)的英文課來看，一般留學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)相對中國學(xué)生弱一些。對來自不同背景學(xué)生進(jìn)行自控原理的教學(xué)，如何因材施教，具有一定的挑戰(zhàn)性。
二、教學(xué)組織與方法
面向不同背景的學(xué)生來源開展《自動控制原理》的全英文教學(xué)，要保證提高教學(xué)質(zhì)量，必須從師資配備、教學(xué)對象認(rèn)識、教學(xué)組織、教材選擇、教輔資料與軟件工具選擇、實(shí)驗(yàn)安排等方面全方位地合理安排。全英文教學(xué)應(yīng)該從教學(xué)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(xué)交流質(zhì)量的提高，以達(dá)到知識傳授、能力培養(yǎng)的目的。
1.教學(xué)團(tuán)隊(duì)的素質(zhì)。自控原理的全英文教學(xué)，涉及數(shù)學(xué)及專業(yè)知識的傳授、使用英語的溝通，在教學(xué)對象來源差異較大的情況下，對教學(xué)團(tuán)隊(duì)的素質(zhì)要求比較高。（1）教師英語能力基礎(chǔ)及保持：全英文授課的教師，一般應(yīng)具較強(qiáng)的責(zé)任心，具有較好的英語口語表達(dá)能力。盡管有些老師有海外學(xué)習(xí)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(yīng)用能力：《自動控制原理》課程是一門比較傳統(tǒng)和基礎(chǔ)的課程，任課老師一般都學(xué)習(xí)過此門課程。因此老師對相應(yīng)的知識點(diǎn)都比較熟悉，但對于課程知識的應(yīng)用還需予以加強(qiáng)。教師應(yīng)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(diǎn)，也能夠講述知識點(diǎn)之間的相互聯(lián)系以及知識點(diǎn)的應(yīng)用環(huán)境、應(yīng)用方法及應(yīng)用工具，使學(xué)生不僅獲得課程的知識點(diǎn)，還獲得關(guān)于知識應(yīng)用方面的技巧。（3）面向教學(xué)對象的教學(xué)方法：課程教學(xué)的效果取決于課程教學(xué)的方法。一般教學(xué)方法由理論學(xué)習(xí)和課堂經(jīng)驗(yàn)積累兩種途徑獲得。教學(xué)方法沒有絕對的好與不好，關(guān)鍵的是教學(xué)方法要適用于教學(xué)對象。因此除了一般教學(xué)方法的掌握，教師還要在教學(xué)實(shí)踐中注意收集學(xué)生對教學(xué)的反饋意見，不斷積累總結(jié)教學(xué)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(fù)責(zé)人，全面負(fù)責(zé)助教、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師和學(xué)生之間的工作安排和溝通。教師應(yīng)該在第一節(jié)課收集所有學(xué)生的聯(lián)系信息，包括留學(xué)生的國籍，并向?qū)W生公布課程助教、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)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(xué)對象，選擇難易適中的教材。在本課程的實(shí)踐中，為了滿足不同層次學(xué)生的需要，為學(xué)生推薦了一組具有不同特點(diǎn)的教學(xué)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(chǔ)比較好、好奇心上進(jìn)心比較強(qiáng)的學(xué)生；也有參考書比較深入淺出，易于理解，滿足基礎(chǔ)相對弱的同學(xué)?？紤]到中國本土學(xué)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(xué)生能在課后了解專業(yè)詞匯的中文表達(dá)，也幫助英文程度差但具有一定中文語言能力的學(xué)生對課程的理解。另外本課程為學(xué)生提供控制原理主要貢獻(xiàn)者的生平介紹，幫助學(xué)生理解一些控制原理產(chǎn)生的背景，讓學(xué)生們學(xué)習(xí)該領(lǐng)域大師的創(chuàng)新精神。（2）教學(xué)輔助資料與工具的提供可以幫助學(xué)生理解復(fù)習(xí)課堂教學(xué)的內(nèi)容。本課程為學(xué)生提供中英文對照專業(yè)詞匯，幫助學(xué)生對課程的理解和掌握，并能使用英文專業(yè)詞匯進(jìn)行作業(yè)和實(shí)驗(yàn)報告的表達(dá)。自控原理是一門對數(shù)學(xué)要求比較高的課程，可以把一些課程常用的數(shù)學(xué)公式表，如拉普拉斯變換表等，作為輔助材料提供給學(xué)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(xué)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(xué)方法。課堂教學(xué)是課程知識傳授的主要環(huán)節(jié)，直接影響到最后的教學(xué)效果。教師在英文課堂教學(xué)中，要注重以下環(huán)節(jié)：（1）任課老師的課堂表達(dá)：教師上課應(yīng)注意循序漸進(jìn)，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(xué)生，上課語速要適中，并配有相應(yīng)的關(guān)鍵字板書或多媒體演示稿，以補(bǔ)充學(xué)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(xué)生做課堂筆記。教師上課應(yīng)該基礎(chǔ)部分簡單清晰、教學(xué)內(nèi)容應(yīng)有擴(kuò)展性，同時注重介紹知識的應(yīng)用環(huán)境，既要照顧到基礎(chǔ)較差的學(xué)生，也應(yīng)滿足綜合能力強(qiáng)的學(xué)生的需求。（2）課堂教學(xué)的互動與反饋：由于該課程理論性強(qiáng)，對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高，大部分學(xué)生使用第二語言第一次接觸新的概念，如果沒有進(jìn)行足夠時間的預(yù)習(xí)很難在課堂上使用英語主動提出問題。而電類專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)比較繁重，一般沒有時間做足夠的預(yù)習(xí)。教師可以圍繞課程內(nèi)容，設(shè)計課堂討論題目，采用分組課堂練習(xí)的形式，一般為二到三人一組，學(xué)生可以互相討論，加強(qiáng)對所學(xué)概念方法的理解，教師在學(xué)生練習(xí)時，巡回檢查，期間學(xué)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(xué)生的表達(dá)壓力，又能達(dá)到互動反饋教學(xué)效果的作用，非常受學(xué)生歡迎，教師也能及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生難于理解的知識點(diǎn)。
4.課程實(shí)驗(yàn)。課程實(shí)驗(yàn)是課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)可以加深對課堂知識的理解，并掌握理論知識的應(yīng)用方法。為保證實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，首先要向?qū)W生提供清晰的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，在實(shí)驗(yàn)分組時應(yīng)避免將留學(xué)生分在一組，而是將中國本土學(xué)生與外國學(xué)生搭配開來，加強(qiáng)留學(xué)生與中國學(xué)生相互交流學(xué)習(xí)，幫助留學(xué)生融入本土學(xué)習(xí)環(huán)境，克服由于外國學(xué)生對環(huán)境的不熟悉造成的工作障礙，順利完成課程實(shí)驗(yàn)任務(wù)。實(shí)驗(yàn)報告也是課程實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，要求學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象運(yùn)用課程理論知識進(jìn)行詳細(xì)分析、解釋。
5.課程學(xué)習(xí)質(zhì)量的監(jiān)控與評估。學(xué)生課程學(xué)習(xí)質(zhì)量的監(jiān)控分課堂學(xué)習(xí)評估、課程階段學(xué)習(xí)評估和課程學(xué)體評估。課堂學(xué)習(xí)評估主要通過課堂練習(xí)來進(jìn)行。教師通過學(xué)生課堂練習(xí)的情況，評估學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的質(zhì)量，改善課堂教學(xué)效果。課程階段學(xué)習(xí)評估主要通過階段小測驗(yàn)來進(jìn)行，通過階段小測驗(yàn)可以測試學(xué)生對一個階段所學(xué)知識的綜合運(yùn)用能力。課程學(xué)體評估包括學(xué)生的課堂表現(xiàn)、作業(yè)情況、小測驗(yàn)情況以及實(shí)驗(yàn)情況和期末考試，是學(xué)生整個課程學(xué)習(xí)過程的綜合評估。期末考試內(nèi)容應(yīng)該含概課程基礎(chǔ)知識、課程知識靈活應(yīng)用和課程知識綜合運(yùn)用等層次，以測試不同層次學(xué)生掌握課程知識的情況。
現(xiàn)階段全英文專業(yè)課程教學(xué)在中國大學(xué)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(xué)特點(diǎn)與方法。論文分析了全英文課程班的學(xué)生組成和特點(diǎn)，闡述了自控原理全英文課程的教學(xué)質(zhì)量保證的關(guān)鍵措施及經(jīng)驗(yàn)，為中國大學(xué)全英文專業(yè)課程的發(fā)展提供參考。
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(fù)合能夠取長補(bǔ)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(xué)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(jì)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(xué)基礎(chǔ)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(yùn)籌學(xué)、信息論等多學(xué)科的最新成果并在此基礎(chǔ)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(shí)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(diǎn),難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。因此,自動控制專家和學(xué)者希望能從要解決間題領(lǐng)域的知識出發(fā),利用熟練操作者的豐富經(jīng)驗(yàn)、思維和判斷能力,來實(shí)現(xiàn)對上述復(fù)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(xué)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(jìn)行介紹。
一、自動控制理論發(fā)展概述
自動控制是指應(yīng)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(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制,使之達(dá)到預(yù)期的狀態(tài)或性能指標(biāo)。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(jì)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(xué)科,是自動控制科學(xué)的核心。自從19世紀(jì)Maxwell對具有調(diào)速器的蒸汽發(fā)動機(jī)系統(tǒng)進(jìn)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(jì)初Nyquist,Bode,evans,Wienner,Nichols等人的杰出貢獻(xiàn),終于形成了經(jīng)典反饋控制理論基礎(chǔ),并于50年代趨于成熟。經(jīng)典控制理論的特點(diǎn)是以傳遞函數(shù)為數(shù)學(xué)工具,采用頻域方法,主要研究“單輸入——單輸出”線性定常控制系統(tǒng)的分析與設(shè)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。現(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。現(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(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。但是,隨著現(xiàn)代科學(xué)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(fù)雜的大系統(tǒng),導(dǎo)致了控制對象、控制器以及控制任務(wù)和目的的日益復(fù)雜化,從而導(dǎo)致現(xiàn)代控制理論的成果很少在實(shí)際中得到應(yīng)用。經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論在應(yīng)用中遇到了不少難題,影響了它們的實(shí)際應(yīng)用,其主要原因有三:這些控制系統(tǒng)設(shè)計和分析都是建立在精確的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上的, 而實(shí)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(xué)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(shè),而這些假設(shè)在應(yīng)用中往往與實(shí)際不符;為了提高控制性能, 整個控制系統(tǒng)變得極為復(fù)雜,這不僅增加了設(shè)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(shí)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(chǔ)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(fù)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(jì)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(xué)的觀點(diǎn)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(yùn)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(yùn)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(diǎn)是系統(tǒng)的運(yùn)動方程采用向量、矩陣形式表示,因此形式簡單、概念清晰、運(yùn)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(chǔ)上,現(xiàn)代控制理論被引向更為深入的研究?，F(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(xiàn),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(diǎn)、缺點(diǎn)和適用范圍,如果能夠取長補(bǔ)短,則必然能夠擴(kuò)大其應(yīng)用的范圍,因而是控制理論的發(fā)展方向。事實(shí)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(fù)合控制理論,如模糊PID復(fù)合控制、模糊變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)模糊控制、模糊預(yù)測控制、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(shí)踐教學(xué)中的不足，運(yùn)用CDIO教育理念對該課程的工程教育進(jìn)行研究和實(shí)踐，明確“自動控制理論”課程中學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，重新設(shè)計教學(xué)模式，強(qiáng)化工程實(shí)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(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高了學(xué)生的工程實(shí)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
進(jìn)入21世紀(jì)，經(jīng)濟(jì)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(jī)遇。但在我國的傳統(tǒng)工程教育中，重理論輕實(shí)踐，過分強(qiáng)調(diào)知識的理論深度和系統(tǒng)性，而忽略了各學(xué)科知識間的聯(lián)系，特別是忽視理論知識的應(yīng)用?！白詣涌刂评碚摗弊鳛樽詣踊瘜W(xué)科各專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，[1]是為培養(yǎng)從事控制領(lǐng)域的科學(xué)研究和工程技術(shù)人員而設(shè)置的。在“自動控制理論”課程中，傳統(tǒng)教學(xué)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(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)動態(tài)、穩(wěn)態(tài)特性分析等分析性實(shí)驗(yàn)，而強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐的綜合性和創(chuàng)新性內(nèi)容不足，偏離實(shí)際工程應(yīng)用。
黃山學(xué)院（以下簡稱“本校”）作為一所地方性普通本科高校，與學(xué)術(shù)性高?！板e位競爭”，明確辦學(xué)定位為應(yīng)用型。因此，結(jié)合本?！白詣涌刂评碚摗闭n程教學(xué)的實(shí)際情況，對“自動控制理論”課程教學(xué)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(xué)生的學(xué)習(xí)需求，重新設(shè)計教學(xué)模式、強(qiáng)化工程實(shí)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(shè)計（design），實(shí)施（implement），運(yùn)行（operate），是由MIT和瑞典幾所大學(xué)在Wallenburg基金會的資助下，經(jīng)過幾年的研究、探索和實(shí)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(shè)計、實(shí)施和運(yùn)行全生命周期為背景的教育理念為載體，以CDIO教學(xué)大綱和12標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，讓學(xué)生以主動的、實(shí)踐的、課程之間具有有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)，獲取工程能力。
CDIO工程教學(xué)模式的主要特色在于它創(chuàng)造了能夠深化技術(shù)基礎(chǔ)和實(shí)際能力的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。采用現(xiàn)代教學(xué)方法、創(chuàng)新教學(xué)模式和新的學(xué)習(xí)環(huán)境為學(xué)生提供接近工程實(shí)際的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，這些具體的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)建了一個與技術(shù)基礎(chǔ)相關(guān)的學(xué)習(xí)抽象概念的認(rèn)知框架，并為學(xué)生提供有助于理解和記憶這些抽象概念的實(shí)際應(yīng)用機(jī)會，由此提供掌握深厚基礎(chǔ)知識的途徑。
二、“自動控制理論”課程教學(xué)改革
1.重新設(shè)計教學(xué)模式
根據(jù)“自動控制理論”課程特點(diǎn)，運(yùn)用CDIO工程教育理念，堅持以學(xué)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(shè)計、實(shí)施和運(yùn)行貫穿整個教學(xué)過程，對“自動控制理論”的教學(xué)目標(biāo)、課程體系、教學(xué)活動及組織形式等進(jìn)行全方位思考與設(shè)計，形成基于CDIO的“自動控制理論”課程教學(xué)模式，如表1。
2.強(qiáng)化工程實(shí)踐能力培養(yǎng)
為了加強(qiáng)“自動控制理論”課程工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，在傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)上，融合項(xiàng)目教學(xué)、虛擬仿真和案例分析等方法，讓學(xué)生在模擬工程實(shí)踐的環(huán)境中進(jìn)行學(xué)習(xí)。
（1）項(xiàng)目教學(xué)。基于項(xiàng)目的教學(xué)是建立在具體問題的基礎(chǔ)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(xiàng)目以3～5名學(xué)生為一組，教師采用點(diǎn)撥方式或共同探究的方式進(jìn)行指導(dǎo)。具體實(shí)施步驟如下：
1）構(gòu)思（C）。通過加深學(xué)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(shè)計的理解，其主要形式是要求學(xué)生對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析、思考，形成對控制系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的基本感性認(rèn)識，加深對控制系統(tǒng)基本分析和設(shè)計方法的理解。
2）設(shè)計（D）。要求學(xué)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(shí)踐，使學(xué)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(shí)際中應(yīng)用。
3）實(shí)現(xiàn)（I）。將設(shè)計成果加以實(shí)現(xiàn)，著力培養(yǎng)學(xué)生的務(wù)實(shí)精神、工程能力和團(tuán)隊(duì)精神。
4）運(yùn)行（O）。每個小組對所開發(fā)的控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，并建立相應(yīng)的應(yīng)用、營銷和服務(wù)渠道。實(shí)在難以在實(shí)際應(yīng)用的要求建立模擬實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，實(shí)施模擬應(yīng)用。運(yùn)行主要目的是讓學(xué)生了解市場，培養(yǎng)學(xué)生的務(wù)實(shí)精神和實(shí)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(shí)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(shè)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(xué)生在一個比實(shí)際情況更安全的環(huán)境中提高工程實(shí)踐能力，可以說在“自動控制理論”課程中應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)是可行且必要的。
（3）案例學(xué)習(xí)。案例學(xué)習(xí)可以提供很多關(guān)于實(shí)際工程的具體經(jīng)驗(yàn)，一個典型案例還可以提供詳細(xì)的背景內(nèi)容。通過討論案例，學(xué)生能夠親自體驗(yàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品的CDIO過程，并參與疑問的解答，提高了學(xué)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(shí)際自動控制系統(tǒng)的設(shè)計、分析和建造等工程實(shí)踐能力。針對本課程注重工程實(shí)踐性、創(chuàng)新性和應(yīng)用技能培養(yǎng)的要求，改革單一的考核方式，綜合學(xué)生在知識、創(chuàng)新、應(yīng)用等多方面能力，采用筆試、課堂互動、實(shí)驗(yàn)操作、項(xiàng)目開發(fā)等多元化考核方式。多元化考核方法不僅促使學(xué)生重視課堂知識的掌握，還重視知識的工程應(yīng)用與創(chuàng)新，有效地提高了教學(xué)水平和教學(xué)質(zhì)量。
三、總結(jié)
CDIO工程教育模式的核心是培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)、工程實(shí)踐能力?！白詣涌刂评碚摗闭n程作為工程背景較強(qiáng)的課程，只有掌握堅實(shí)的理論基礎(chǔ)，具備嚴(yán)謹(jǐn)?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(yùn)用自控理論知識解決工程實(shí)際問題，并為往后能在工作崗位上靈活運(yùn)用所學(xué)知識打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。
摘要：在對“自動控制元件”課程教學(xué)改革的實(shí)踐中，以控制理論思想作為指導(dǎo)，在深入分析課程、學(xué)員和教員的實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，建立了課程教學(xué)反饋控制系統(tǒng)模型，采取了優(yōu)質(zhì)提問教學(xué)法等多種反饋方式，取得了較好的教學(xué)效果，同時也提高了教員的教學(xué)水平。
關(guān)鍵詞：控制理論；自動控制元件；反饋控制教學(xué)
所謂控制，就是根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)外部變化，進(jìn)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(rèn)為，任何系統(tǒng)、過程與運(yùn)動都可以看作一個復(fù)雜的控制系統(tǒng)，控制理論思想的應(yīng)用并不僅僅局限于工業(yè)生產(chǎn)或軍事設(shè)備控制方面，也可以擴(kuò)展到其他領(lǐng)域。
教學(xué)是一種有計劃、有目的的活動。教學(xué)的目的在于使學(xué)生形成一定的心理過程及特性。學(xué)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(rèn)為，控制理論對于教學(xué)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(xué)領(lǐng)域，建立教學(xué)控制系統(tǒng)，結(jié)合教學(xué)過程的特點(diǎn)及規(guī)律，改革傳統(tǒng)教學(xué)過程，研究和解決教學(xué)過程中的一系列問題，以實(shí)現(xiàn)對教學(xué)過程的有效控制和全面優(yōu)化，從而更好地控制教學(xué)質(zhì)量，提升學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性，提高教員的教學(xué)水平，達(dá)到教學(xué)相長的目的。
一、反饋控制教學(xué)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(fù)合控制，傳統(tǒng)的知識注入型教學(xué)過程通常為開環(huán)控制方式。以學(xué)員作為控制對象，以課程教學(xué)目標(biāo)為期望值，以教學(xué)效果為控制量，可建立課程教學(xué)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(jìn)行課堂授課時，學(xué)員扮演的是被動接收知識的角色。從控制理論觀點(diǎn)來看，傳統(tǒng)的知識注入型教學(xué)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(xué)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(xué)情況，學(xué)員學(xué)習(xí)主動性差，教員教學(xué)水平提高緩慢，往往難以達(dá)到預(yù)期教學(xué)效果。
若在系統(tǒng)中增加前饋補(bǔ)償和反饋通道，則可建立閉環(huán)（反饋）教學(xué)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(xué)過程中能夠及時發(fā)現(xiàn)實(shí)際教學(xué)效果與教學(xué)目標(biāo)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(xué)內(nèi)容、教學(xué)進(jìn)度、教學(xué)方法和教學(xué)手段等），以保證：教學(xué)過程始終沿著教學(xué)目標(biāo)的固有軌道前進(jìn)；教學(xué)內(nèi)容、方法和手段適合教學(xué)對象，且不斷趨于完美；教學(xué)研究與教學(xué)本身得以同步發(fā)展。
在課程教學(xué)實(shí)踐中，應(yīng)該依據(jù)課程、學(xué)員和教員等各方面的實(shí)際情況，深入分析課程教學(xué)控制系統(tǒng)的各個組成部分，細(xì)化前饋和反饋環(huán)節(jié)，建立課程教學(xué)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(xué)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(xué)反饋控制系統(tǒng)中，以自主預(yù)習(xí)的前饋補(bǔ)償方式以及自主復(fù)習(xí)的局部反饋方式促使學(xué)員在自控（學(xué)員自學(xué)）和他控（學(xué)員之間的相互學(xué)習(xí)、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(xué)員學(xué)習(xí)動態(tài)，實(shí)時調(diào)整教學(xué)過程，以保證教學(xué)效果；課后，通過每周答疑、課后作業(yè)、課程實(shí)驗(yàn)、課中考核、課外實(shí)踐以及學(xué)員針對課程提供意見建議等多種反饋方式，獲取學(xué)員對課程知識的掌握和應(yīng)用情況以及學(xué)習(xí)態(tài)度、精神狀態(tài)等，并根據(jù)反饋信息適時調(diào)整教學(xué)過程，從而縮小教學(xué)效果與教學(xué)目標(biāo)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(xué)督導(dǎo)組的評價以及學(xué)員的意見建議等三個反饋渠道得到及時反映，以促進(jìn)教學(xué)水平的提高。
二、反饋控制教學(xué)中需要注意的問題
在教學(xué)控制系統(tǒng)中，教學(xué)是一種有目的、有計劃的實(shí)施控制活動的過程。要實(shí)現(xiàn)有效控制，首先必須建立較為準(zhǔn)確的系統(tǒng)模型，然后根據(jù)課程、學(xué)員和教員的實(shí)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(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容，“才”指的是學(xué)員和教員。實(shí)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(xué)控制系統(tǒng)模型的建立
系統(tǒng)模型越準(zhǔn)確，控制效果越好。因此在系統(tǒng)建模時，必須深入分析教學(xué)反饋控制系統(tǒng)的各部分結(jié)構(gòu)，了解“材”和“才”的實(shí)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(xué)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(xué)目標(biāo)。嚴(yán)格依照專業(yè)人才培養(yǎng)方案和課程標(biāo)準(zhǔn)制定課程的總體教學(xué)目標(biāo)和各章節(jié)、每次授課的教學(xué)目標(biāo)。
（2）被控對象，即學(xué)員。通過課前召開座談會、課中答疑以及與學(xué)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(xué)實(shí)施方案。制定具體且具有針對性的課程教學(xué)改革方案、課程教學(xué)設(shè)計方案和課堂教學(xué)方案。而在課堂教學(xué)實(shí)施計劃開展之前，教員應(yīng)該進(jìn)行精心的教學(xué)準(zhǔn)備，具體工作包括深入理解教學(xué)內(nèi)容、設(shè)計具有一定特色的多媒體課件和教案、熟練掌握幾種教學(xué)方法、開發(fā)交互式課程學(xué)習(xí)網(wǎng)站和建設(shè)試題庫等。
（4）評價方式，即根據(jù)學(xué)員的學(xué)習(xí)情況，把實(shí)際值與期望值進(jìn)行比較，對教學(xué)工作做出客觀評價。按照教學(xué)目標(biāo)衡量實(shí)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(yàn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，必須制定客觀公正、切實(shí)可行的評價方案對學(xué)員進(jìn)行綜合評定，才能客觀地評價教學(xué)效果。
2.反饋控制方式的選擇
在教學(xué)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(xué)過程中，教學(xué)組在課堂授課過程中采用了優(yōu)質(zhì)提問教學(xué)法（Quality Questioning， QUILT）。QUILT是一種“通過提問、理解促進(jìn)學(xué)習(xí)和思考”的教學(xué)方法，包括精心準(zhǔn)備問題、適時拋出問題、激發(fā)學(xué)員回答、對學(xué)員的回答進(jìn)行加工以及對提問行為進(jìn)行反思五個階段。[2]通過QUILT，可以調(diào)動學(xué)員的學(xué)習(xí)積極性，使更多的學(xué)員參與思考，更重要的是能夠迅速獲取學(xué)員對知識的理解程度的反饋信息。同時，教學(xué)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(shí)驗(yàn)、課中考核、課外實(shí)踐活動（“三性”實(shí)驗(yàn)、“三小”活動、數(shù)學(xué)建模、電子設(shè)計、機(jī)器人大賽）等，使學(xué)員在掌握理論知識的同時，提高動手能力和實(shí)際應(yīng)用能力。
【摘 要】隨著技術(shù)工具的進(jìn)步如半導(dǎo)體微電子學(xué)、光學(xué)和光電子學(xué)、計算機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)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(fù)雜，這樣就對自動控制理論以及其實(shí)際運(yùn)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(lǐng)域的運(yùn)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(fù)雜性的增加，不確定因素的增多，要求各控制理論分支有進(jìn)一步的發(fā)展，彌補(bǔ)各理論分支的缺點(diǎn)與不足，以滿足更高的控制性能指標(biāo)?，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(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域的研究大都剛剛起步，或處于初級階段，遠(yuǎn)未達(dá)到人們的期望。而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程的模型一般都很復(fù)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(lǐng)域推廣到非線性復(fù)雜系統(tǒng)有重要的實(shí)際意義。另外與宏觀復(fù)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(xué)科領(lǐng)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(dǎo)體、計算機(jī)等技術(shù)的快速發(fā)展也強(qiáng)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(xué)，它的產(chǎn)生可追溯到18 世紀(jì)中葉的第一次技術(shù)革命，1765年瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī)，應(yīng)用離心式飛錘調(diào)速器原理控制蒸汽機(jī)，標(biāo)志著人類以蒸汽為動力的機(jī)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(rèn)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(jī)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(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》，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(xué)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(jì)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(chǔ)的頻域分析法，它的控制思想首先旨在對機(jī)器進(jìn)行“調(diào)節(jié)”，使之能夠穩(wěn)定運(yùn)行，其次是采用“反饋的方式，使得一個動力學(xué)系統(tǒng)能夠按照人們的要求精確地工作，最終實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)按指定目標(biāo)進(jìn)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(jì)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(xué)者卡爾曼等人將古典力學(xué)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(chǔ)。
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(xué)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(shí)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(xué)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(xué)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(yán)格的數(shù)學(xué)方法研究新的工具來對復(fù)雜的“環(huán)境2對象”模型進(jìn)行建模和識別以實(shí)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(wù)的控制設(shè)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(jìn)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(xué)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(xué)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(xué)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(shí)驗(yàn)室）各取前三個字母組成的，意思是“矩陣實(shí)驗(yàn)室”。
2．Matlab的特點(diǎn)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(fēng)靡世界，可靠的數(shù)值和符號運(yùn)算能力、簡單易學(xué)的程序語言、強(qiáng)大的圖形和可視化的功能以及為數(shù)眾多的運(yùn)用工具寶石Matlab區(qū)別與其他科技應(yīng)用軟件的顯著特點(diǎn)。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(yùn)算和分解；數(shù)組運(yùn)算；矩陣操作；多項(xiàng)式和有理分式運(yùn)算；數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、差分和數(shù)組導(dǎo)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(yīng)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(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的習(xí)慣形式十分相似，簡單易學(xué)。完全不需要對矩陣的乘法和求逆進(jìn)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(yuǎn)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(yīng)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(jìn)行圖形和坐標(biāo)的標(biāo)識、坐標(biāo)控制、圖形的迭繪、視角和光照設(shè)計、色彩精細(xì)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(jìn)行操作的“底層（low level）”指令，使用戶可以隨心所欲地對圖形進(jìn)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(shè)計(design)、實(shí)施(implement)、運(yùn)作(operate)，它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)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(yùn)用CDIO教育理念對該課程的教與學(xué)進(jìn)行探討和實(shí)踐，形成了以學(xué)生為主的“活躍課堂、積極實(shí)踐、學(xué)術(shù)探討、項(xiàng)目研究、網(wǎng)絡(luò)助學(xué)”的教學(xué)模式，經(jīng)過5年的教學(xué)實(shí)踐，取得了很好的教學(xué)效果和教改成績，使學(xué)生在實(shí)際動手能力、獨(dú)立創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)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(xué)的相關(guān)概念后，將學(xué)生分成小組，每個小組5～6人。各個小組自己設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案、確定操作流程、選擇器材，分工合作完成實(shí)驗(yàn)。通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)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(xué)生一起探討。該模式可以培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，同時能夠增強(qiáng)學(xué)生的自學(xué)能力、溝通協(xié)調(diào)能力、團(tuán)隊(duì)合作能力以及大系統(tǒng)的運(yùn)作能力并最大地發(fā)揮學(xué)生的積極性和創(chuàng)造I生。自動控制理論是指導(dǎo)人們在一定工程背景下實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計與分析的方法論，理論性很強(qiáng)，而CDIO工程教育模式的精髓——CDIO代表的構(gòu)思、設(shè)計、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)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(yùn)行的生命周期為載體，旨在培養(yǎng)學(xué)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(xué)能力和技術(shù)知識能力、終生學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)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(xué)目標(biāo)與應(yīng)用型高校本科專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是一致的，即培養(yǎng)理論與實(shí)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(biāo)，以教學(xué)改革為指導(dǎo)，以教材創(chuàng)新為核心，以科學(xué)研究為基礎(chǔ)，對自動控制理論課程進(jìn)行改革，以適應(yīng)國內(nèi)快速發(fā)展的工控領(lǐng)域?qū)ψ詣踊瞬诺囊蟆?
2 教學(xué)理念的轉(zhuǎn)變
2.1 教學(xué)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(xué)什么、如何學(xué)”始終是教學(xué)過程中的一對基本矛盾。很多教師認(rèn)為“教什么”最重要，至于“怎么教”、“怎么學(xué)”全在個人，不重視教學(xué)方法的研究，習(xí)慣于個人傳統(tǒng)方式的延續(xù)。認(rèn)為“怎么教”是教師的事情，“怎么學(xué)”是學(xué)生的事情，“教”與“學(xué)”分離，對教師主導(dǎo)、學(xué)生主體、師生互動交流認(rèn)識不足；對教學(xué)大綱的把握、對教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)認(rèn)識不足，認(rèn)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(fù)責(zé)任、偷工減料的表現(xiàn)；對課程的規(guī)律性與學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)的重要性認(rèn)識不足，有的教師過分強(qiáng)調(diào)講課面面俱到，“填鴨式”教學(xué)方法反而貽誤了學(xué)生創(chuàng)造思維的訓(xùn)練和培養(yǎng)。為此，提出如下理念。
1)學(xué)生的主體性與教師的主導(dǎo)性融合。教師視每次授課為一場表演，既是演員又是導(dǎo)演，學(xué)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(xué)過程中教師主導(dǎo)活動和學(xué)生主體活動不斷融合實(shí)現(xiàn)動態(tài)轉(zhuǎn)換，隨著知識的潛移默化，學(xué)生的學(xué)習(xí)活動自主性逐漸擴(kuò)大，教師的傳教活動制約性逐漸縮小，最后轉(zhuǎn)化為學(xué)生能夠完全自主學(xué)習(xí)，真正成為學(xué)習(xí)的主人。
2)學(xué)習(xí)的開放性與教學(xué)的關(guān)鍵點(diǎn)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(yīng)該充分利用網(wǎng)絡(luò)、名師、資料、實(shí)驗(yàn)、學(xué)科、專業(yè)等優(yōu)質(zhì)資源環(huán)境與學(xué)術(shù)氛圍，把學(xué)習(xí)的場所從課堂擴(kuò)展到大型實(shí)驗(yàn)室、圖書館、講壇等。自主研學(xué)、拓展訓(xùn)練、思維創(chuàng)造，為學(xué)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(dāng)前教學(xué)模式改革的核心。強(qiáng)化自主性、綜合性、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)，重視工程實(shí)踐、課程設(shè)計、項(xiàng)目訓(xùn)練以及大學(xué)生生產(chǎn)實(shí)習(xí)；將學(xué)生個體的學(xué)習(xí)擴(kuò)展到小組學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)等合作學(xué)習(xí)的形式；著力提高各種課外學(xué)習(xí)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(tuán)等各種載體，讓每一個學(xué)生都有鍛煉施展多方面能力和才華的舞臺。教學(xué)的關(guān)鍵點(diǎn)是教給學(xué)生一種思考問題的思維方法，有些知識問題的具體細(xì)節(jié)，忘記了可以查書，但思考問題的方式，一旦領(lǐng)悟并加以應(yīng)用后，具備的是解決更多新問題、領(lǐng)悟更多新知識的能力，這才是教與學(xué)的關(guān)鍵。充分利用互聯(lián)網(wǎng)拓展學(xué)生網(wǎng)上學(xué)習(xí)、教師網(wǎng)上答疑、學(xué)生網(wǎng)上作業(yè)、教師網(wǎng)上批改的新途徑。
3)教學(xué)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(xué)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(biāo)給予教學(xué)質(zhì)量評價，教師可以隨時查閱學(xué)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(xué)生成績評定的多樣性與靈滑性融合。采取平時考核(20％)＋實(shí)驗(yàn)考核(10％)＋學(xué)期考核(70％)作為學(xué)生的最終成績，這樣充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)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(duì)伍、一流教學(xué)內(nèi)容、一流教學(xué)方法、一流教材、一流教學(xué)管理等特點(diǎn)的示范性課程，省級精品課《自動控制理論》是由自動化系負(fù)責(zé)開設(shè)的院級平臺課，是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，理論比較枯燥，難以理解，其特點(diǎn)是概念多、抽象，理論分析和數(shù)學(xué)計算比重大，在課程講授過程中，若不注重教學(xué)模式的改進(jìn)，就會讓學(xué)生感覺似乎在學(xué)一門“數(shù)學(xué)”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(yīng)用于工程實(shí)踐中，那么，這門課程的講授就是失敗的。在課程教學(xué)改革實(shí)踐中，引入CDIO模式，以小型控制課題為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生自覺加深理論學(xué)習(xí)，依次完成控制系統(tǒng)建模、控制器設(shè)計、仿真實(shí)現(xiàn)，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力、動手能力及課題研究能力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，教師要有目的、有計劃、有步驟地結(jié)合教學(xué)的具體內(nèi)容對學(xué)生進(jìn)行思維方式的引導(dǎo)、指導(dǎo)和訓(xùn)練，使學(xué)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(xué)作為一種工具處理工程問題的重要性和趣味性，使學(xué)生變被動學(xué)為主動學(xué)，提高學(xué)習(xí)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(xué)改革
探索了CDIO理念下的以研究型學(xué)習(xí)，以實(shí)際的物理對象為背景進(jìn)行控制系統(tǒng)建模、控制器設(shè)計、仿真實(shí)現(xiàn)的教學(xué)模式，并相應(yīng)地對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、考試方式進(jìn)行了配套改革。
3.1 教材建設(shè)
教材是教學(xué)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(shè)，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)的特色，自2003年開始狠抓教材建設(shè)，相繼出版了兩部理論教材：《現(xiàn)代控制理論》(中國標(biāo)準(zhǔn)出版社2003)、《自動控制原理》(21世紀(jì)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(xué)習(xí)指導(dǎo)》(大連理工大學(xué)出版社2004)，《自動控制理論實(shí)驗(yàn)及綜合系統(tǒng)設(shè)計》(華中科技大學(xué)出版社2008)；一部用于指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行計算機(jī)輔助設(shè)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(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、學(xué)習(xí)指導(dǎo)、CAD實(shí)現(xiàn)的系列特色教材，為知識的有效傳播奠定了基礎(chǔ)。
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(diǎn)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(diǎn)和發(fā)展趨勢以及在工業(yè)生產(chǎn)、航空、航天等領(lǐng)域所起的重要作用。為了增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)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(jī)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(diǎn)及學(xué)習(xí)方法，學(xué)生由此對課程產(chǎn)生了濃厚的興趣及強(qiáng)烈的求知欲望，促進(jìn)了學(xué)生從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”的轉(zhuǎn)變。
3.3 強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)，提升工程實(shí)踐能力
圍繞工程實(shí)踐和創(chuàng)新精神培養(yǎng)這一目標(biāo)，實(shí)踐教學(xué)構(gòu)建三層體系，突出綜合性、設(shè)計性、研究性訓(xùn)練，加強(qiáng)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等實(shí)踐環(huán)節(jié)的有序銜接。提出以學(xué)生為主的“活躍課堂、積極實(shí)踐、學(xué)術(shù)探討、項(xiàng)目研究、網(wǎng)絡(luò)助學(xué)”的教學(xué)模式，進(jìn)行了基于“學(xué)術(shù)探討、項(xiàng)目研究”的教學(xué)改革。將教學(xué)分成三個階段：課堂教學(xué)、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計。精心設(shè)計了一整套與之對應(yīng)的三級項(xiàng)目體系：以隨堂進(jìn)行的項(xiàng)目為三級項(xiàng)目，促進(jìn)學(xué)生對專業(yè)核心課程的學(xué)習(xí)；以專業(yè)課程設(shè)計為二級項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建并運(yùn)用知識模塊的能力；以畢業(yè)設(shè)計為一級項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生用專業(yè)知識開發(fā)設(shè)計復(fù)雜系統(tǒng)和產(chǎn)品的能力。為探索CDIO教學(xué)模式，將授課教師從科研項(xiàng)目中提煉出來的基于團(tuán)隊(duì)的三級項(xiàng)目與課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)融合，讓學(xué)生在課堂上學(xué)習(xí)理論知識，課外進(jìn)行三級項(xiàng)目的研究，使學(xué)生自主建立起以確定項(xiàng)目方案、設(shè)計和仿真為主要內(nèi)容的學(xué)習(xí)體系。三級項(xiàng)目的最后，要求學(xué)生以撰寫項(xiàng)目報告和制作PPT的形式進(jìn)行項(xiàng)目研究的匯報，改變了以往以課后習(xí)題來鞏固學(xué)生所學(xué)理論知識，類似于“紙上談兵”的學(xué)習(xí)方式。結(jié)合不同章節(jié)內(nèi)容的特點(diǎn)，教學(xué)骨干自行開發(fā)了所有課程的多媒體助學(xué)課件，如針對根軌跡繪制制作了全動畫多媒體課件，受到學(xué)生的普遍歡迎。這種教學(xué)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(jìn)了學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)的全面提升。燕山大學(xué)學(xué)生先后在全國“飛思卡爾杯”智能車大賽、“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)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(shè)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(qiáng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺與資源共享建設(shè)
為培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力，自行研發(fā)了網(wǎng)絡(luò)綜合教學(xué)平臺，提供了15個子系統(tǒng)供師生使用，形成了一個集教學(xué)、學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)、設(shè)計、考研輔導(dǎo)、信息交流于一體的自動控制原理在線教學(xué)的專業(yè)網(wǎng)站，實(shí)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(xué)內(nèi)容，利于突出重點(diǎn)、突破難點(diǎn)，優(yōu)化課堂結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造良好的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)環(huán)境，提供教學(xué)講義、教學(xué)視頻、課后練習(xí)測試、同步訓(xùn)練、在線答疑、提交作業(yè)、考研專題等多個欄目，為學(xué)生提供了豐富的教學(xué)資源。
3.5 開展研究型學(xué)習(xí)
教學(xué)中引入的工程實(shí)例倒立擺裝置是一個復(fù)雜的、不穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)，是進(jìn)行控制理論教學(xué)及開展各種控制實(shí)驗(yàn)的理想實(shí)驗(yàn)平臺。通過對倒立擺的控制，檢驗(yàn)新的控制方法是否有較強(qiáng)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(jī)器人和一般工業(yè)過程領(lǐng)域中都有著廣泛的用途，如機(jī)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(xué)中，將倒立擺作為工程實(shí)例貫穿整個課程，在各階段理論教學(xué)后，完成倒立擺的系統(tǒng)建模、分析及控制器設(shè)計等，提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力及學(xué)以致用的信心。
研究型學(xué)習(xí)分三個階段：(1)引導(dǎo)學(xué)生充分利用圖書館和網(wǎng)絡(luò)，搜集相關(guān)資料；(2)學(xué)生分成研究小組，在6周的時間內(nèi)，跟隨課程的學(xué)習(xí)進(jìn)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(shè)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(jìn)行仿真分析；(3)要求學(xué)生以組為單位撰寫研究報告，并以小組的形式進(jìn)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(xué)生同時對研究情況進(jìn)行打分評價。通過匯報，不僅可以活躍研究氛圍，加強(qiáng)各組學(xué)生之間的交流，開闊學(xué)生的視野，還可以檢驗(yàn)每個學(xué)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(shí)驗(yàn)平臺上，實(shí)現(xiàn)學(xué)生自行設(shè)計的系統(tǒng)驗(yàn)證。在課堂上，教師們也把工程項(xiàng)目的部分內(nèi)容作為教學(xué)案例介紹給學(xué)生，注重知識講授與項(xiàng)目實(shí)踐有機(jī)結(jié)合。在課下，教師們帶領(lǐng)學(xué)生積極參與科研項(xiàng)目研發(fā)或?qū)I(yè)競賽活動，培養(yǎng)了一批專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、動手能力強(qiáng)的優(yōu)秀學(xué)生。利用好現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室和實(shí)習(xí)基地，探索出了一條行之有效的工程教育模式，使學(xué)生在實(shí)際動手能力、獨(dú)立創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作能力方面有所提高。
4 結(jié)束語
教學(xué)實(shí)踐表明，基于CDIO教育理念的教學(xué)模式可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動性，促進(jìn)學(xué)生從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”的轉(zhuǎn)變，有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。學(xué)生反映非常喜歡這種教學(xué)模式，并提出了很多很好的建議，加強(qiáng)了學(xué)生和教師之間的溝通與交流，起到了教學(xué)相長的效果。
作為一種工程教育教學(xué)模式，CDIO具有先進(jìn)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(shè)、師資隊(duì)伍建設(shè)、實(shí)踐教學(xué)建設(shè)等各個方面，構(gòu)建理論與實(shí)踐相結(jié)合，技術(shù)與市場相結(jié)合的應(yīng)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。
