唯物辯證法思想在自動控制理論教學中的應用

1、唯物辯證法思想在自動控制理論教學中的應用摘 要 本文通過多年來的實際教學經(jīng)歷，分析了自動控制理論教學中普遍存在的一些問題，提出了把唯物辯證法思想應用于自動控制理論課堂教學的初步教學理念，對于進步本門課程的整體教學質(zhì)量具有重要的借鑒作用。關鍵詞 唯物辯證法思想 自動控制理論 生命課堂Application of Materialist Dialectics Thinking inAutomatic Control Theory TeachingLIU Xinyu， GU BoNorth China University of Water Resources and Electric Power，

2、 Zhengzhou， He'nan 450045Abstract Through many years of practical experience in teaching， analyzes some of the automatic control theory teaching prevalent proposed to apply the idea of automatic control theory of materialist dialectics classroom teaching preliminary teaching philosophy， to impro

3、ve the overall quality of teaching this course have important reference.Key words Materialist Dialectics Thinking; Automatic Control Theory; life class0 引言唯物辯證法是一門研究自然界、人類社會以及人類思維領域開展最一般規(guī)律的科學，它是辯證法思想開展的高級形態(tài)，是馬克思主義哲學的重要組成部分。唯物辯證法根植于理論、由近代思維方式開展而來，是資政育人、治學求是的法寶，對于課堂教學具有重要的指導意義。自動控制理論是一門研究自動控制系統(tǒng)的分析和設計的

4、方法，并用于指導工程理論的科學。它是控制理論與控制工程學科的一門非常重要的專業(yè)根底課，由于其涉及的知識范圍廣、內(nèi)容繁多、概念抽象、理論性較強，容易使學生陷入無從下手、機械承受的窘境，從而產(chǎn)生消極、厭煩情緒。因此，在自動控制理論教學過程中要自覺運用唯物辯證法思想來指導課堂教學，不斷完善教學方法和教學手段，構建起和諧高效的生命課堂，進步課程整體教學質(zhì)量。1 要用整體與部分的觀點認識自動控制系統(tǒng)的組成唯物辯證法認為，整體由互相聯(lián)絡、互相作用的假設干部分按一定方式組成的有機統(tǒng)一體。沒有部分，無所謂整體。整體依賴于部分，但并不是各個要素分別存在時的性質(zhì)和功能的簡單疊加，整體可能大于或小于部分之和;部分也

5、因與整體的其他部分互相作用而存在，脫離整體的部分不再是整體意義下的部分。當外施鼓勵作用于一個詳細的控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)表現(xiàn)出區(qū)別于其他控制系統(tǒng)的一個整體的響應特征。但要準確把握這一響應本質(zhì)，又必須對組成系統(tǒng)的每個詳細部分的響應進展深化的分析研究。比方在進展控制系統(tǒng)的設計時，我們首先要弄清楚所設計的控制系統(tǒng)是由哪些特定的環(huán)節(jié)組成。一般來講，一個根本的自動控制系統(tǒng)的組成如圖1所示，它是由給定元件、控制器、執(zhí)行機構、被控對象、圖1 自動控制系統(tǒng)的根本組成檢測裝置等五部分組成。自動控制系統(tǒng)是利用外加的設備或裝置，在無人直接參與的情況下，使設備或消費過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照期望規(guī)律或預定程序運行的

6、控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)的作用與組成其本身的各個根本環(huán)節(jié)是密不可分的，其中的給定元件是給出系統(tǒng)期望的被控量數(shù)值，給定值的準確與否直接影響到系統(tǒng)被控量輸出是否符合實際控制的要求。控制器是整個控制系統(tǒng)的大腦，它承受來自給定元件和檢測裝置的偏向信號，根據(jù)該信號的大小和變化方向，輸出相應的控制信號，通過執(zhí)行機構對被控對象進展控制。自動控制系統(tǒng)設計的主要任務就是設計出符合工程需要的控制器，使系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能符合實際要求。執(zhí)行機構的作用在于執(zhí)行控制器的命令，直接對被控對象進展操作，執(zhí)行機構可以是電動型、液壓型或氣動型，詳細選用要根據(jù)工程的實際需求。被控對象是控制器進展控制和操作的對象，它按照控制器的

7、要求輸出相應的控制量，使系統(tǒng)的偏向變小甚至可以消除偏向。檢測裝置用來測量被控量的實際值，經(jīng)適當?shù)男盘柼幚?，最終轉換成與被控量有一定函數(shù)關系的且與輸入信號是同一物理量的信號，二者的偏向信號作為控制器的輸入。一個自動控制系統(tǒng)的精度很大程度上依賴于檢測裝置的準確度，所以在設計控制系統(tǒng)時，檢測裝置的選取至關重要。因此，在實際課題教學過程中，一定要把握好系統(tǒng)的整體性和其組成環(huán)節(jié)之間的關系，從整體的角度認識控制系統(tǒng)的性能，從部分的角度分析各個環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中所起到的作用，這樣才能牢牢抓住自動控制系統(tǒng)的本質(zhì)特征。2 要用對立統(tǒng)一的觀點引導學生分析和設計自動控制系統(tǒng)在自動控制理論中，有著許多看似矛盾，但實際上具有

8、統(tǒng)一性的概念，比方開環(huán)控制與閉環(huán)控制、動態(tài)性能與靜態(tài)性能、前饋與反響、定性與定量等問題，都可以上升到對立統(tǒng)一的高度來認識。使學生理解這些概念之間的區(qū)別與聯(lián)絡，把握問題的本質(zhì)。下面以自動控制系統(tǒng)校正為例，首先要對系統(tǒng)進展定性分析，這里可以利用根軌跡對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進展分析，方法是通過觀察系統(tǒng)的根軌跡是否越過虛軸進入到復平面的右半平面，這顯然是一種定性的分析方法。當然還有許多對系統(tǒng)進展定性分析的工具，比方李雅普諾夫方法、伯德圖等。這些方法通過分析對象過去和如今的延續(xù)狀況及最新的反響信息，對被控對象的性質(zhì)、特點、開展變化規(guī)律做出判斷，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，要進一步對系統(tǒng)的動態(tài)性能包括系統(tǒng)的上升時間

9、、調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量等進展分析，看當前的系統(tǒng)能否滿足新的控制指標要求，這就需要對原系統(tǒng)進展定量分析，計算出原系統(tǒng)的各項動態(tài)性能指標的詳細數(shù)值，在此根底上按照新的控制指標來設計校正裝置對系統(tǒng)的動靜態(tài)性能進展校正。這里需要注意的是，在進展系統(tǒng)校正的時候，不要片面強調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性或動態(tài)性能，因為二者存在互相關聯(lián)互相制約的對立統(tǒng)一關系。假設片面強調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有可能導致系統(tǒng)的動態(tài)性能變差，而假設片面強調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)性能，那么有可能破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 通過以上分析，使我們認識到，在自動控制系統(tǒng)的性能分析中，一定利用好對立統(tǒng)一的觀點，做到詳細問題詳細分析。因為任何一個被控對象都是矛盾的統(tǒng)一體，只有協(xié)調(diào)好矛盾

10、的兩個方面，使其和諧共生，才能真正把握被控對象的本質(zhì)特征，進一步掌握被控對象的運動規(guī)律，從而使所設計的控制系統(tǒng)的性能到達最優(yōu)。3 要用否認之否認的觀點不斷更新自動控制理論的教學內(nèi)容否認之否認規(guī)律，提醒了事物由肯定到否認，再到否認之否認的開展過程，它是事物不斷完善自己、開展自己的一個有規(guī)律的過程，在這個過程中事物的開展經(jīng)歷了兩次否認，每一次否認都不是簡單的拋棄，而是把前階段開展的一切成果中有用的成分保存了下來。因此，在事物開展的否認之否認即新的肯定階段，并不是簡單地再現(xiàn)原事物，簡單地回到原來的出發(fā)點，而是形式的回復、內(nèi)容的開展，是一個前進和上升的開展過程。自動控制理論的開展同樣經(jīng)歷了這樣一個否認

11、之否認的開展過程，在自動控制理論開展的初期，人對控制系統(tǒng)的建模分析往往是根據(jù)相關的物理定律或化學定理，建立系統(tǒng)的微分方程，再通過求解微分方程得到詳細的解，最后對求出的解進展分析來評價控制系統(tǒng)的性能。但是，隨著自動控制系統(tǒng)變得越來越復雜，微分方程的求解變得越來越困難，為此人們又引進了傳遞函數(shù)、頻率特性等概念，把復雜的控制問題從時域變換到復數(shù)域和頻域來討論，極大方便了對控制系統(tǒng)性能的分析。隨著計算機技術的快速開展，使得原來在時域內(nèi)難以解決的問題變得簡單起來，于是在復數(shù)域或頻率域解決的問題又重新轉移到時域內(nèi)完成，比方控制理論中的狀態(tài)空間法，就是一種直接在時域內(nèi)進展求解，對系統(tǒng)進展分析的方法。另外，自

12、動控制系統(tǒng)從原始的單輸入單輸出系統(tǒng)開展到如今的多輸入多輸出系統(tǒng)，其中的有些內(nèi)容也逐漸變得陳舊，如今這些內(nèi)容在工程設計中很少用到。比方根軌跡、等M圓、等N圓等內(nèi)容，取而代之的是更加先進的控制方法和手段。自動控制理論這些變化開展充分表達了否認之否認的歷史開展規(guī)律。目前，在自動控制理論課堂教學中亟需更新和完善的內(nèi)容主要包括：3.1 理論教學內(nèi)容在自動控制理論教學中，對于階次在三階以上的控制系統(tǒng)的分析和建模這部分內(nèi)容，建議適當略講或者不講，因為這樣的控制系統(tǒng)沒有太大的實際工程應用價值。對于系統(tǒng)頻域特性的內(nèi)容，其中的等M圓、等N圓、尼克爾斯曲線等圖解方法，由于其本身不容易繪制，并且在實際工程設計中根本不

13、用，所以建議在課堂教學中，對這些內(nèi)容要根據(jù)實際情況做適當?shù)膭h減。對于線性系統(tǒng)校正方法，重點掌握串聯(lián)校正方法，反響校正和復合校正作為補償教學內(nèi)容即可。對于非線性系統(tǒng)，重點講解的內(nèi)容是相平面和描繪函數(shù)，特別是相平面法，它是后續(xù)研究滑模變構造控制的先修知識，所以建議在講授這部分內(nèi)容時，穿插講解滑模控制的部分內(nèi)容，這樣更易于學生的理解和掌握。對于線性離散系統(tǒng)，由于微型計算機的廣泛應用，要適當增加和擴展這一部分的課堂講授內(nèi)容，尤其是數(shù)字控制器設計這一部分內(nèi)容，應該把它作為重點和難點知識深化講解。3.2 理論教學內(nèi)容為了更好地配合理論教學內(nèi)容，加深學生對所學知識的理解，在理論教學內(nèi)容上要利用好兩個手段：其

14、一是仿真實驗，充分利用Matlab這一進展虛擬實驗的有效工具，對學過的理論知識進展驗證或復雜系統(tǒng)建模;其二是實驗課，如今的自動控制理論實驗臺大多是根據(jù)控制原理，采用控制板、電阻、電容等元件組成的硬件單元平臺，可以靈敏地組成復雜程度各異的控制系統(tǒng)。在進展理論教學內(nèi)容時，應該首先利用Matlab軟件平臺對所研究的控制系統(tǒng)進展建模和分析，然后在實驗室的硬件平臺上再用硬件搭建控制系統(tǒng)模型，并與Matlab軟件平臺所獲得的控制效果進展比照分析，找出理想控制模型和實際硬件控制模型的聯(lián)絡及區(qū)別。以上情況說明，在自動控制理論的詳細教學過程中要充分利用否認之否認的開展規(guī)律，要根據(jù)時代的開展，及時更新教學內(nèi)容，理

15、論新的教學理念、調(diào)整詳細的授課思路與方法，進步自動控制理論的整體教學質(zhì)量。4 要用理論聯(lián)絡實際的觀點進步自動控制理論的課堂教學效果理論聯(lián)絡實際是人類認識或學習活動的普遍規(guī)律之一，它的要點一是要用理論分析實際，二是要用實際來驗證理論的正確性。課堂教學必須堅持理論與實際的結合與統(tǒng)一，使學生從理論和實際的結合中理解和掌握知識，培養(yǎng)學生運用知識解決實際問題的才能。自動控制理論這門課程的內(nèi)容涉及知識面廣，信息量大，對所涉及的先修數(shù)學知識微積分、復變函數(shù)、矩陣論等的要求較高，假設在教學過程中只注重一般的理論講述，缺乏工程和物理概念的理論，就容易使學生覺得晦澀難懂，從而產(chǎn)生厭學的情緒，影響學習興趣和學習效果

16、。因此，理論教學一定嚴密配合理論教學，在完成某一部分的理論教學內(nèi)容后，應立即進展相關的實驗或仿真，通過相關仿真軟件Matlab、Labview等或在實驗室的實驗平臺上搭建控制仿真模型，對已經(jīng)學到的理論分析結果用實驗的方法形象直觀地表達出來，加強學生對物理概念的理解，從而將抽象的數(shù)學模型與實際系統(tǒng)參數(shù)聯(lián)絡起來，進步學生對抽象問題直觀化的才能。在整個理論教學內(nèi)容完畢后，還應及時安排課程設計，要求學生會運用已學過的理論與理論知識，針對一個實際的控制對象，進展系統(tǒng)分析和設計，使系統(tǒng)到達預定的性能指標。經(jīng)過這樣的綜合性理論訓練，一方面可以使學生更好地掌握理論教學內(nèi)容，另一方面也進步的學生的實際動手才能及

17、學習的興趣、效率。另外，在理論教學方面也可利用多方面的資源，在高?；蚪虒W系統(tǒng)內(nèi)部，每年都有許多大學生理論工程，譬如大學生實驗創(chuàng)新工程、大學生數(shù)學建模大賽等，這些工程給學生提供了動手理論的平臺。任課教師可以組織學生積極申報，并給予認真指導。從這些詳細的理論工程中體會理論聯(lián)絡實際的過程，加強對所學理論知識的理解和掌握。另外還可以充分利用現(xiàn)成的網(wǎng)絡資源，針對教師自己承擔的實際工程，組成自動控制理論學習興趣小組Q群，每個小組單獨對工程中的實際問題進展分析和建模， 然后在Q群中進展集體的討論，最后選擇出適宜實際工程需要的物理模型及其控制方法。通過討論和分析，培養(yǎng)了學生分析問題和解決問題的實際才能，進步了他們的學習熱情和學習效率。5 結論總之，唯物辯證法思想作為一種認識自然科學的強大武器，已被廣泛應用于社會理論的各個方面。任課教師要學會把這種思想貫穿于自動控制理論的課堂教學中，學會利用唯物辯證法思想，正確觀察問題、考慮問題和解決問題。因為這不單純是哲學理論研究的問題，而是控制理論自身開展的需要。只有堅持唯物辯證法的思想，才能使自動控制理論的教學與時俱進，使理論與理論相結合，進一步進步整體教學質(zhì)量。注釋 李秀林.