謝志剛　齊曉慧　王永川

摘要 自動(dòng)控制原理具有較強(qiáng)的理論性、多學(xué)科的交叉性和廣泛的應(yīng)用性。根據(jù)教學(xué)實(shí)踐，自動(dòng)控制原理不僅是一門(mén)重要的學(xué)科，同時(shí)也是一種科學(xué)的方法論，從認(rèn)識(shí)論、方法論以及控制思想的角度，就如何加深對(duì)抽象理論的理解、如何將知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力和素質(zhì)等問(wèn)題談一些認(rèn)識(shí)和體會(huì)。

關(guān)鍵詞 自動(dòng)控制原理；教學(xué)法；方法論

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671-489X（2009）12-0031-02

An Exploration on Methodology in Teaching Theory of Automatic Control//Xie Zhigang, Qi Xiaohui, Wang Yongchuan

Abstract The Theory of Automatic Control is highly theoretical and universally applicable which involves the overlapping of Multi-science. Based on the authors teaching practice, this paper makes an approach to proving that the Theory of Automatic Control is not only an important course, but also a scientific methodology. And form the angle of epistemology, methodology and idea-controlling, the author also expresses opinions on issues such as how to improve the understanding of abstract theories and how to convert knowledge into capability and quality.

Key words Theory of Automatic Control；teaching method；methodology

Authors address Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003

自從人類會(huì)使用工具，便有了控制，控制廣泛地存在于人類生產(chǎn)、生活和實(shí)踐之中。作為反映控制論中基本概念、基本原理和基本方法的自動(dòng)控制原理，是研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的共同規(guī)律的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課[1]。該課程具有廣泛的應(yīng)用性、多學(xué)科的交叉性，以及較強(qiáng)的理論性，是一門(mén)重要的控制類專業(yè)的基礎(chǔ)課。它不僅是一門(mén)重要的學(xué)科，同時(shí)也是科學(xué)的方法論，其中所涉及的系統(tǒng)的觀點(diǎn)、反饋的觀點(diǎn)和動(dòng)態(tài)發(fā)展的觀點(diǎn)等，更是具有廣泛的指導(dǎo)意義。

在新世紀(jì)、新形勢(shì)下，人才培養(yǎng)模式正在由側(cè)重知識(shí)型向能力素質(zhì)型轉(zhuǎn)變。自動(dòng)控制原理課程同樣也面臨著“教什么，如何教；學(xué)什么，如何學(xué)”的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，學(xué)員在學(xué)習(xí)過(guò)程中會(huì)對(duì)一些知識(shí)產(chǎn)生迷茫：我學(xué)的這些知識(shí)是否落伍了？在以后工作中這些知識(shí)是否能用到？所學(xué)的這門(mén)課與將要從事的專業(yè)是否有關(guān)系？學(xué)習(xí)這門(mén)課對(duì)我以后的工作有多少幫助？面對(duì)這些問(wèn)題，在教學(xué)過(guò)程中，對(duì)一些基本的現(xiàn)象、結(jié)論以及概念、原理和方法，從方法論

的角度加以解析，有助于提高學(xué)員知識(shí)結(jié)構(gòu)的廣度與深度，培養(yǎng)學(xué)員的思維、能力與素質(zhì)。

1 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中的認(rèn)識(shí)論

控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，是通過(guò)對(duì)客觀系統(tǒng)的量及其相互聯(lián)系的研究,尋求系統(tǒng)本質(zhì)和規(guī)律的一種理性的思維形式和認(rèn)識(shí)手段。建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。由于系統(tǒng)具有的非線性、復(fù)雜性和外部環(huán)境的不確定性，使得人們僅憑自己的感覺(jué)或經(jīng)驗(yàn)無(wú)法達(dá)到高精度的控制要求，因此必須建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型?？刂葡到y(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，反映了控制系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律中的主要因素和主要矛盾，而忽略了一些次要因素和次要矛盾，因此方便了在工程上對(duì)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)而建立的具有相似數(shù)學(xué)模型的方法可以稱之為標(biāo)準(zhǔn)化方法，標(biāo)準(zhǔn)化方法是人們認(rèn)識(shí)事物最強(qiáng)有力的思想工具之一，正如數(shù)學(xué)大師華羅庚教授曾如此描述標(biāo)準(zhǔn)化思想：“把一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題‘退到最簡(jiǎn)單、最原始的問(wèn)題，把這個(gè)最簡(jiǎn)單、最原始的問(wèn)題想通、想透了，然后再用數(shù)學(xué)歸納法來(lái)一個(gè)飛躍上升,于是問(wèn)題就迎刃而解了。”

此外，控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分為時(shí)域模型、復(fù)頻域模型和頻域模型。其中，微分方程模型是時(shí)域模型，它是控制系統(tǒng)中最基本和最重要的數(shù)學(xué)模型，但是微分方程模型反映不出哪些是影響系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主要因素和主要矛盾，哪些是次要因素和次要矛盾，而且當(dāng)系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，不方便對(duì)系統(tǒng)的分析。通過(guò)拉氏變換，將微分問(wèn)題變換為代數(shù)問(wèn)題，將時(shí)域表達(dá)式變換為復(fù)頻域表達(dá)式，從而得到控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)模型，極大地方便了系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。頻率特性數(shù)學(xué)模型，從某種意義上說(shuō)，是傳遞函數(shù)模型的一種特例，但是，它不僅繼承了傳遞函數(shù)的所有內(nèi)容，而且還發(fā)展出了新的形式，可以用曲線表示出系統(tǒng)對(duì)不同頻率信號(hào)的響應(yīng)特性，物理概念清晰，工程應(yīng)用廣泛。而狀態(tài)空間模型，它將一個(gè)高階的微分方程轉(zhuǎn)化為一階的微分方程組的形式，是一個(gè)矩陣的形式，可以借助矩陣?yán)碚摵陀?jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，克服了高階微分方程的復(fù)雜性，因此它得到了極大的發(fā)展，成為現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)模型。

從時(shí)域模型到復(fù)頻域模型、到頻域模型再到時(shí)域模型這一過(guò)程充分體現(xiàn)了辯證法否定之否定螺旋式發(fā)展過(guò)程，它們之間互相聯(lián)系，相輔相承，是一個(gè)認(rèn)識(shí)論和方法論深化的過(guò)程。

2 理論聯(lián)系實(shí)際，加深對(duì)抽象概念的理解

自動(dòng)控制原理中抽象的概念比較多，比如：控制系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)可以作為控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，如何理解這一抽象概念，就需要深刻理解單位脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)，為了便于研究具體問(wèn)題而建立的一種高度抽象的理想模型，而不是實(shí)際存在的東西。但這種理想模型作為抽象思維的結(jié)果，它是對(duì)客觀事物的一種反映，從頻域的角度看，它包含了從0到∞的所有頻率分量，每一頻率分量所攜帶的能量是相等的，可以認(rèn)為它是一種掃頻信號(hào)。把該信號(hào)施加于系統(tǒng)后，系統(tǒng)的沖激響應(yīng)實(shí)際上就是系統(tǒng)對(duì)所有頻率信號(hào)的幅頻衰減特性和相頻滯后特性，即為系統(tǒng)的頻率特性模型。若對(duì)單位脈沖響應(yīng)作拉普拉斯變換，同樣也可得到其傳遞函數(shù)模型。

根據(jù)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析系統(tǒng)的性能指標(biāo)，或者根據(jù)要求的性能指標(biāo)來(lái)綜合校正系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，它們之間的橋梁是系統(tǒng)的分析法。自動(dòng)控制原理的分析方法包含時(shí)域分析法、復(fù)頻域分析法和頻域分析法，其中，時(shí)域分析法是一種直接的方法，系統(tǒng)的輸出隨時(shí)間變化的規(guī)律用曲線來(lái)表示，系統(tǒng)的控制性能指標(biāo)一目了然，具有直觀、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。復(fù)頻域分析法中，借助于根軌跡，可以直觀地看到參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)控制性能影響的趨勢(shì)。頻域分析法更是一種工程分析法，通過(guò)繪制控制系統(tǒng)的Bode圖，即可以定性地也可以定量地分析系統(tǒng)的控制性能，同時(shí)還可以揭示出改善系統(tǒng)控制性能的方法。這三種分析方法，其本質(zhì)是一種“分析＋圖解”的方法[3]，通過(guò)所學(xué)的理論知識(shí)結(jié)合MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算和作圖能力，將抽象的數(shù)學(xué)理論與具體的工程應(yīng)用相結(jié)合的方法，是理論聯(lián)系實(shí)際的方法。

3 自動(dòng)控制原理中的方法論

黑箱的方法，它是我們認(rèn)識(shí)未知世界的一種方法，指的是當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不清楚時(shí)，利用外部觀察和試驗(yàn)方法，獲得系統(tǒng)的輸入——輸出特性，再根據(jù)這種信息，在不打開(kāi)“黑箱”的情況下，研究其功能和屬性，探索其構(gòu)造和機(jī)理的一種科學(xué)方法。

反饋更是一種方法論，反饋的本質(zhì)是系統(tǒng)的輸出信息反送回系統(tǒng)的輸入端，并由此對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)產(chǎn)生具有制約作用的影響。如果控制系統(tǒng)沒(méi)有反饋，那么這就是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制，是簡(jiǎn)單的因—果關(guān)系；有了反饋回路，系統(tǒng)就變成由原因到結(jié)果再到原因的一個(gè)循環(huán)過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)偏差、利用偏差并最終消除偏差的目的，但同時(shí)也帶來(lái)了穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)品質(zhì)和控制精度等控制理論所研究的核心問(wèn)題。反饋機(jī)制維系著一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，是保持系統(tǒng)平穩(wěn)、健康運(yùn)行的基礎(chǔ)。比如企業(yè)的管理、軍隊(duì)的管理等，如果沒(méi)有信息的反饋渠道，就不會(huì)檢測(cè)出偏差并消除偏差，就會(huì)脫離實(shí)際，出現(xiàn)混亂。

最優(yōu)化的方法，控制論中的最優(yōu)化，指的是在滿足一定約束條件的前提下，尋求一個(gè)最優(yōu)控制，使性能指標(biāo)取最優(yōu)值。比如，在最短的時(shí)間內(nèi)取得最好的學(xué)習(xí)成績(jī)，用最輕松愉快的方式來(lái)取得最滿意的工作效果，這些都體現(xiàn)了最優(yōu)化的思想。

4 基于控制思想組織自動(dòng)控制原理課程的教學(xué)

要有系統(tǒng)的觀念。自動(dòng)控制原理這門(mén)課程具有廣泛的應(yīng)用性、多學(xué)科的交叉性，以及較強(qiáng)的理論性[2]。在教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，要把握住理論與原理、抽象與具體、概念與方法之間的關(guān)系，從培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的角度出發(fā)，不能厚此薄彼，要有系統(tǒng)的觀念。

要有動(dòng)態(tài)發(fā)展的觀點(diǎn)。從閉環(huán)控制系統(tǒng)檢測(cè)偏差、利用偏差并最終消除偏差；從微分方程模型到傳遞函數(shù)模型、頻域特性模型再到狀態(tài)空間模型；從時(shí)域分析法到復(fù)頻域分析法再到頻域分析法，它們之間的優(yōu)點(diǎn)是什么？缺點(diǎn)是什么？有哪些橫向的和縱向的聯(lián)系？如何體現(xiàn)否定之否定的發(fā)展規(guī)律？這些都體現(xiàn)了動(dòng)態(tài)發(fā)展的觀點(diǎn)。

要有對(duì)立統(tǒng)一的觀念。所有的控制系統(tǒng)都是互相聯(lián)系、互相制約，既對(duì)立又統(tǒng)一。比如學(xué)到參數(shù)變化對(duì)控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響時(shí)，增大系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)，可以提高系統(tǒng)的控制精度，使系統(tǒng)的快速性變好，學(xué)生自然就會(huì)想到平穩(wěn)性會(huì)變差，而無(wú)須憑借Bode圖這樣的分析工具。這樣的思維方法應(yīng)一直貫穿自控原理課程教學(xué)的始終。

要有反饋的觀念。在教學(xué)活動(dòng)中，一方面通過(guò)提問(wèn)、作業(yè)、考查、考試等多種反饋手段獲取學(xué)生當(dāng)前的學(xué)習(xí)情況，及時(shí)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段；另一方面，通過(guò)學(xué)生之間的交流討論、比學(xué)趕幫超，構(gòu)建局部?jī)?nèi)反饋，進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)效果，達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。這些過(guò)程和環(huán)節(jié)無(wú)不體現(xiàn)著反饋的觀念。

5 小結(jié)

總的來(lái)說(shuō)，任何一門(mén)學(xué)科的發(fā)展，都包含著2大部分：一是學(xué)科知識(shí)的發(fā)展；一是學(xué)科方法論的發(fā)展[4]。自動(dòng)控制原理也不例外，在教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，應(yīng)緊緊圍繞知識(shí)與能力的培養(yǎng)，在方法上采用歸納、總結(jié)、提煉與升華等手段，將控制理論上升為科學(xué)的方法論，在目標(biāo)上注重培養(yǎng)學(xué)員的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力，加強(qiáng)素質(zhì)教育。只有將復(fù)雜的理論變得淺顯易懂，將書(shū)由厚變薄，才能實(shí)現(xiàn)從知識(shí)到能力素質(zhì)的轉(zhuǎn)變。

參考文獻(xiàn)

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[3]張烈平.提高自動(dòng)控制原理課程理論教學(xué)質(zhì)量的幾點(diǎn)體會(huì)[J].高教論壇,2004(1):70-72

[4]陳夢(mèng)稀.論高師學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].黑龍江高教研究,2000(12)