自动控制理论论文

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自动控制理论论文:基于控制系统分析的自动控制理论课程建设及实践

[摘要]自动控制理论课是电类专业的基础课程，在课程设置和学生培养中占有重要地位。利用控制理论基本思想，指导该课程的建设过程，分析了教学过程的系统构成特性、制约因素及相应的解决方法。通过多年的教学实践，取得了较好的教学效果。

[关键词]自动控制理论；系统分析；反馈；课程建设

0　引言

深化教学改革，提高教学质量，强化素质教育是当前高等学校教改的重要主题，而更重要的是教育思维模式的更新与变革。

所谓“教有法无定法”，但每位肩负“传道、授业、解惑”职责的教师都希望收到事半功倍的效果。在专业课自动控制理论多年的教学工作中，笔者也在不断理解社会发展变革对其的新要求，调整具体的授课思路与方法，摸索新的教学策略。本文将控制理论恰当地应用到自动控制理论教学之中，采取反馈控制手段，在教学实践中，有效地提高教学质量。

1　课程特点及控制系统结构

自动控制理论课程是电气类、机电类专业的一门理论性很强的专业基础课，在学生培养过程中占有重要的地位，一般都在大学三年级第一学期或第二学期开设。这门课有其自身的特点，如知识系统连接较为紧密、计算性强、作图方法多；课程中知识点多且抽象，而且对数学基础要求较高，涉及到的数学知识包括高等数学、线性代数、积分变换、复变函数等；与工程实际联系较为紧密。在教学中必须要遵循由浅入深、从易到难的规律，对先修课程应有一定程度的理解，并在此基础上以系统的、整体的观念实施教学。

控制系统按照有无反馈可分为开环系统和闭环系统。开环系统输出量对系统的控制量不产生影响，即信息单向流动；而闭环系统中，不仅存在着输入对输出的前向控制作用，输出同时对输入产生反向的影响，即在系统中，信息形成双向闭合回路。反馈控制是一切闭合系统自动控制的精要所在，任何系统只有根据反馈信息才能比较、纠正和调整它发出的控制量，从而实现对被控对象的有效控制，达到预期的目的。

在教学过程中，教师与学生之间的“教”与“学”的过程显然不能用单向信息传递来描述，否则授课与教育的过程变成了被动的接受过程。而一直强调的互动与调研正是信息的双向交流，也就是反馈控制的应用。如何正确地应用反馈控制理论，合理地设置反馈环节和控制环节，以提高课堂效率、提升教学质量，正是要讨论的问题。

2　课程建设中的系统结构分析与对策

下面结合控制系统的一般分析与设计过程和自动控制理论的教学实践来分析教学的各个环节，运用控制理论制定对策，指导教学过程。

2.1　被控对象分析和目标制定

控制系统设计首先是要掌握被控对象的特点，抓住主要矛盾，进而制定明确而又实际的控制目标。过低的目标失去了控制调节的意义，过高的目标又会增加控制成本。作为授课教师，面对的研究对象是自动控制理论课程和学生(称为基本被控对象)，目标是合理地利用课上及课余时间让学生在短时间内掌握基础知识，提高应用能力；而作为教学管理者，其研究对象是包括教师和基本控制对象在内的广义被控对象，目标是排除多方面干扰的影响，适应社会发展的需要，合理利用教学资源，培养具有较强竞争力的学生，同时打造具有鲜明特色的专业课程。

由于课程开设在公共基础课之后，大多学生在先修课程中习惯了定量化、精确化的分析方法，而疏于用物理概念进行系统定性分析，特别是如何针对实际系统存在的问题，采取相应的分析和设计更是他们在学习方法上的薄弱之处。自动控制理论课程定性分析与图示解释较多，在传统的教学过程中，一般都是按照教材的自然顺序按部就班地进行讲解，并且课堂授课中，教师需在黑板上做大量的数学分析推导，绘制大量的曲线，因此课堂教学往往是索然无味的公式推导、定理证明和手工绘图。在实验教学环节中验证型实验多，设计型实验少，甚至存在“一键式”实验，这样难以锻炼学生的设计能力，对于学生自学能力的培养、设计能力的开发都存在着极大的阻碍作用。

对授课具体内容而言，自动控制理论主要研究的负反馈系统，包括系统的分析和设计两大方面，理论知识学习的目的是系统设计，而系统分析是设计的基础。分析与设计都是围绕稳定性、快速性和准确性三方面展开。分析方法主要是时域分析法、根轨迹法和频域分析法，分别从时域、复域、频域等不同的角度分析同一个控制系统，但最终归结于时域性能分析。

由此就清楚地勾勒出研究对象的轮廓，在这个基本轮廓之下展开教学，根据课程、学生及教师的特点，抓住了课程的关键，用统一的思想将课程内容融会贯通，教、学、辅联成一体，有助于学生加深对学习目的的认识，掌握知识体系，提高学习效率，同时也有利于管理者从整体上把握课程建设。这正是控制理论系绕性观点的体现。

2.2　反馈环节设置

反馈是控制理论的基础和精要所在，任何系统只有通过反馈信息，与预先设计的目标进行比较，利用二者形成的偏差不断调整，才能产生有效的控制，形成一个信息传递的闭合回路。没有反馈信息的非闭合回路或者反馈信息过于粗糙甚至错误的闭环系统，都不可能实现预期控制。

在教学实践中，反馈监测点的设置和反馈信息的提取与处理应遵循点面结合的原则，即既要考虑与多个控制目标(学生培养、教师队伍、课程建设)相关的评价指标的设计，又要兼顾评价、反馈量提取的可行性，同时要重点关注制约控制效果的关键点，并在反馈信息综合中加以不同权重。对于反馈信息的获取主要通过3个方面，如图1所示，并形成三环反馈控制，及时调整教学中出现的各种偏颇。

内环反馈信息来源于课堂教学。教师在充分备课、清晰讲解的基础上，加强和学生的互动与交流，收集学生对该课程的反馈信息，及时对课程教学进行调整。课堂学生反应最能直接地体现教学效果，可以通过观察学生的目光、给出适当的提问、采取启发式与联想式讲解、提供一定的讨论和练习等不同方式来收集学生的反馈信息。根据控制理论，内环反馈控制对于系统的调节最为直接，因此授课教师应采取多种手段，激发学生的学习兴趣和参与意识，给学生创造一个相对轻松的心理环境，以便更多地获取真实反馈信息，使课堂信息由单向传递变成双向传递，形成闭环调节，提高课堂效率。中环反馈信息来源于学生定期的网上评教和教学督导意见。发挥网络平台作用，通过设置学生信息反馈平台和网上评教系统，鼓励学生将自己在学习过程中遇到的问题、对各个教学环节的意见和建议反馈给教研室或者教师本人。同时结合教学督导的意见，对授课过程加以优化。外环反馈信息来源于最终的考试成绩以及课程结束后的教学研讨。尽管考试成绩不能说明一切问题，但通过考试过程及试卷分析，可以发现学生在学习该课程中存在的共性问题；通过教学形势分析和教学方法研讨可以掌握社会知识需求，同时达到取长补短的目的。

2.3　干扰分析

控制系统中，干扰不可避免，并且直接影响控制效果，因此干扰抑制问题是控制系统分析的一个重要内容。在控制理论中通常可以采用预测和补偿的方法削弱其对输出的影响。在这里，需首先分析干扰及不确定因素的产生。在该系统中，人(教师、学生、管理者)是主要的系统组成部分，个人的差异性，必然导致信息传递过程中的不确定性。如，学生基础知识、教师知识结构与研究兴趣、反馈信息的客观表现、管理决策的执行差异等等都是客观存在且随机变化的。应重点关注整体的不确定，并做好相应的“补偿”准备。首先了解学生预备知识的掌握情况，是否需要补偿。课程中涉及到的数学知识很多，如积分变换、拉普拉斯变换、复变函数等等，但所需知识点相对较孤立，因此可以利用较短时间进行“突击培训”。实践证明，适当的“基础知识补偿法”对于课程重点、难点的讲解具有良好的辅助作用，教师和学生都减轻了压力；其次是课堂干扰补偿。课堂上的互动是必要的，既可以调节课堂气氛，又有利于信息的双向沟通。但不能以点带面，让片面的反馈信息占据主导地位。课堂上提问式讲解，教师总是希望得到正确的回应，但不可将个别回应作为学生全面掌握知识的反馈信息。因此要剔除这种期待已久的“特殊喜讯”，注意观察大部分学生的反应和课堂情绪，排除干扰；第三是排除评价干扰。来自学生、督导、同行等方面的评价是系统中重要的反馈信息，为避免个别的不公正评价，需设置信息过滤机制，过滤掉带个人感情成分的“奇异值”，对来自不同方面的反馈信息加权处理。当然这个过程应以学生反馈信息为主，其他方面反馈为辅；最后是执行干扰补偿。在一个完整的教学计划执行过程中，教师是策划者和执行者。但教师水平、教学经验甚至责任心的差异，都可视为一种干扰，都可能影响教学效果。因此适当的教学示范课、教学基本功训练、定期的教研组讨论、教学方法交流都是必要的补偿方法。

2.4　控制调节制定

控制调节主要考虑两方面：一是教师的作用，二是教学管理者的作用。

教师方面。强调信息的双向流动，要达到学生掌握教师传授的知识、方法这一目的，因此教师应该成为驾驭课堂、掌控知识的角色。授课教师要精心设计每堂课，特别是绪论的讲解。作为控制论的入门课程，必须要让学生在首次接触课程的同时，将一个异常开阔的视野展示在他们面前，而不是让其产生这仅仅是公式推导、纯粹理论堆积的错觉，进而刺激学生求知、探索的兴趣和激情。鲜活生动的应用实例，具体的视频展示是冲击和震撼学生这种发散思维的最好手段。需要摒弃传统教学中发展历史的简单罗列，取而代之的是声情并茂的图文、视频展示，既融入了大量专业信息，又激发学生的兴趣，取得了事半功倍的效果。此外，通过适当的教学经验交流、教学方法讨论，使每位任课教师在熟知教学内容的基础上，培养教师运用适当方法，调控课堂气氛，激发学生热情的课堂应变能力。

管理者方面。教学管理者除关心教学效果外，更要关心如何打造一门精品课程，如何培养一支精干队伍。因此其调控行为相对要宏观，在控制理论课程建设过程中，主要从以下几方面着手调控。

1)教学实验环境改善。作为重要辅助手段的实验教学在课程建设中作用不容忽视，除了更新实验设备之外，更注重实验内容的更新。通过增加开放性实验、设计型实验、自主开发型实验，开阔学生视野，锻炼实践能力。

2)教学计划适时调整。尽管目前学时压缩是个大的趋势，控制理论课程同样受到影响，但对于基础内容、经典方法的学时不能压缩。通过更新教学内容、编写适合自己专业的特色教材，合理使用多媒体教学手段，使教师和学生在教与学的过程中都做到得心应手。

3)建立一定的奖惩激励机制。结合学生评教、教学督导及教研室评价，对课程综合打分，并对教学成绩突出的教师给予一定的物质和精神奖励措施，激发教师的教学投入热情，营造积极向上的竞争气氛。

3　结束语

在多年自动控制理论教学实践中，笔者对“控制理论”学以致用，在充分分析课程特点、考察教学过程的基础上，利用控制理论基本思想，发挥专业优势，分别针对目标制定、反馈设置、干扰抑制、控制手段等方面找到教学活动的对应环节，摸索出适合电类、机电类专业学生学习的教学方法。同时，对其他课程体系建设具有一定的借鉴作用。

自动控制理论论文:自动控制理论有效教学方法探索与实践

摘 要：自动控制理论课程涉及自动控制系统分析与设计的基本理论和基本方法，其特点是概念抽象、术语多、数学成分大、工程实践性强，要求该课程在教学方法上进行探索。研究并探索了该课程基于认识论和方法论的有效教学方法，经过近几年的探索与实践，教学效果良好，可为提高该课程的教学质量和进行有效的课堂教学提供参考。

关键词：自动控制理论；有效教学；探索与实践

自动控制理论课程是支撑我校导航、制导与控制国家重点学科的主干课程，自1959年起即为测控工程专业学员开设，目前已面向全院本科学员，是全院性的专业基础课，选用胡寿松教授主编的《自动控制原理(第五版)》教材。

自动控制理论课程综合性强、知识覆盖面广、基本概念和术语多，数学推导多。它不仅要求学生有扎实的高等数学、工程数学、复变函数、模拟电路、电工技术等课程基础知识，而且还要有较强的计算能力和工程素养。特别是随着控制技术的迅速发展，课程内容不断丰富充实(教材的第一至六章和第八章)，讲授对象也日渐广泛，而课程学时却一再压缩(课内60学时)，要求也越来越高，并且所选用教材的内容特点往往使学生因缺乏工程实践，缺乏对实际控制系统的感性认识而感到内容比较抽象，知识点分散、公式多、推导多，进而影响学习效果。总之，课程标准和教材内容的特点让学员感到难学，教员感到难教。该课程的改革和建设是全面提高专业课教学质量的基础，促进学科发展的关键。为提高教学效果，促进“指技合一”复合型军事人才培养，我们对该课程的有效教学方法进行了探索实践。

1 基于认识论和方法论的教学方法探索

1.1 从定性到定量、再到定性的分析思路

人类认识自然、了解自然，总是遵循从定性到定量、再到定性的这一规律，这种过程也是认识论所倡导的规律。自动控制理论课程的目的是让学员掌握控制的基本概念，并能够对实际的控制系统进行分析、设计。理解控制的概念比较容易，但要实施恰当的控制则比较难。在课程教学过程中，我们经常强调从定性到定量、再到定性的这一认识过程，帮助学员掌握整个课程的分析、学习思路，从总体上把握教材的内容，取得了较好的效果。

例如，对于一般自动控制系统的控制原理分析是定性分析，但是光知道自动控制的基本概念和原理是远远不够的，一个实际的系统要能够进行工作，必须对它进行定量分析，也就是要分析其稳定性、准确性和快速性指标。为了达到定量分析的目的，必须对系统建立模型，这个模型就是数学模型，包括微分方程、传递函数、结构图和频率特性，正好是教材第二章和第五章的内容。数学模型是实施定量分析的基础，有了模型并能够对其进行求解(拉普拉斯变换和反变换)的基础上，我们就能够对系统进行定量的认识。例如对快速性的认识，是通过对一阶系统和二阶系统的性能分析来建立起动态性能指标；对于稳定性的认识是通过线性系统稳定的充要条件和劳斯—赫尔维茨判据、奈氏判据、对数频率域稳定判据来进行的；对于准确性的认识是通过终值定理和静态(动态)误差系数法求稳态误差来进行的。

学员在学习过程中，喜欢对系统进行定量分析。因为定量分析有公式，计算简单，容易得出结果；而定性的结论，多属定量分析的结果、文字性结论以及相关的描述性结论。为此，我们在教学过程中强调，定量分析比较容易，难的是从定量分析上升到定性的结论和定性分析上去，也就是对这些定量的公式、结果的分析。例如，稳定性与参数之间的定性的关系；动态性能指标与系统参数之间的变化关系；稳态误差随系统参数变化如何变化；稳定性、稳态误差和动态性能指标与系统参数变化之间的关系；高阶系统增加闭环零点和闭环极点对系统有什么影响等。

1.2 从开环系统分析闭环性能的策略

控制的核心思想是反馈，反馈就可使一般的开环系统变成闭环系统。因此，系统的开环与闭环之间存在紧密的联系，一般来说，开环系统容易分析和理解，也容易获得其数学模型，因为开环系统一般是由各种典型环节组成的，可以很方便地求得开环系统的零点和极点。因此，为了分析系统的闭环性能，常常从开环系统传递函数、开环性能出发来研究和分析。

例如，为了分析闭环系统的稳定性，劳斯判据需要知道闭环特征方程，而闭环特征方程正好是1+Gk(s)=0，其中Gk(S)就是系统的开环传递函数；而用奈氏判据直接通过开环幅相特性曲线Gk(jw)就可判别系统的闭环稳定性，也是从开环传递函数出发的。分析系统的稳态误差时，对于型如tm或其线性组合的输入来说，可直接通过对开环传递函数的型别v和开环增益k来得到静态误差系数从而算出稳态误差。绘制根轨迹时，由1+Gk(s)=0可推导出根轨迹方程，最终可直接采用开环传递函数Gk(s)来绘制闭环根轨迹，并根据闭环根轨迹分析系统的动态性能、稳态性能、稳定性等信息。

从开环系统分析闭环性能的策略可以帮助学员掌握各种分析方法的出发基点和分析目的。由于自动控制理论课程概念、术语多，从什么条件出发分析系统的什么性能在学员学习过程中经常引起混淆，往往课程教学已经结束了，学员还不知道用什么传递函数来绘制什么(开环、闭环)系统的根轨迹，用什么传递函数来计算(开环、闭环)系统的稳态误差。诸如此类，不一而足。

1.3 从对控制系统的要求出发整体把握教学内容

自动控制理论课程内容繁杂，基本概念、定义、术语、公式多，学员难以从整体上把握课程的全貌，难以建立课程知识体系之间的内在联系，大部分学员只有靠机械记忆来掌握课程内容。在教学过程中，我们通过从控制系统的一般要求出发，将课程体系有机联系起来，收到较好的效果。

对自动控制系统的一般要求是“稳、准、快”，因此对控制系统进行分析就是对这三个字进行分析，即分析系统的稳定性、准确性(稳态误差)和快速性(动态性能指标)。首先要求知道它们的准确含义，其次要采用合适的分析方法。分析方法最直观的是时域分析法(第三章)；其次是在系统参数发生变化的时候，系统的性能如何变化，可采用根轨迹法进行分析(第四章)；除此之外，如果系统的输入是正弦波，对系统的分析可采用频域法进行(第五章)；如果系统的性能不符合要求，则必须对系统进行校正(第六章)。

当然，对于每一种分析方法，其分析特点和目的也不一样。时域分析可提供时域指标的全部信息；根轨迹法分析具有时域分析的特点，但它可以提供系统参数发生变化时的闭环系统的根的分布情况，从而可以分析系统的时域指标；而频域分析由于方法的特点，可以分析系统的稳定性和稳定裕度，但不能提供直观的时域指标。

1.4 线性叠加的思想

自动控制理论讲授的主要是经典控制理论，研究对象是线性定常系统，其主要特性是叠加性和均匀性。在系统分析过程中，经常采用的策略是叠加。从一般的多输入产生的输出是采用叠加原理，到开环对数幅相特性曲线的绘制也是将幅频特性相乘变成对数幅频特性的相加从而简化运算。对系统进行校正的时候，串联校正采用的是线性叠加，而反馈校正不具有叠加性，但通过进行一定的简化，最后进行反馈校正进行设计时，也是通过近似的线性叠加的办法。因此，叠加的思想在课程中运用得相当普遍。

2 教学实践体会与教学效果

2.1 多从工程的角度进行教学

自动控制的基础是微分方程的求解，但精确求解微分方程却不是本门课程的重点。自动控制理论是从工程实践中发展并提炼出来的。因此，虽然求解微分方程具有逻辑严密性和精确性，但数学特性却不是该课程的主要特性，在教学过程中应该强调的是其工程性。它的工程性主要体现在几个方面。一是近似、简化的方法，例如对非线性系统的小偏差线性化法近似成线性系统，这种近似在工程上是应用得非常多的，也是非常有效的，在一定程度上能够满足工程的需要；再例如在一定条件下将高阶系统简化为一阶或二阶系统。二是大量公式的推导过程应该注重工程背景，而不能从纯数学的角度出发进行推导教学，严密的数学推导并不是本课程的主要目的，即不能将本课程讲成一门纯数学的课程，而应该从工程的角度出发，充分利用简化、近似、适用范围等工程使用条件，对相关知识点进行讲授。

2.2 适当强调控制系统的设计

自动控制理论课程的目标有两个：一是控制系统的分析；二是控制系统的设计。我校所选用的教材是以控制系统的分析方法为主线，在控制系统的分析方面内容比较详尽，各种分析方法都有介绍，知识点成体系，但对控制系统的设计则讲得较少，也就是注重基础知识的讲授，而忽略如何利用分析方法进行控制系统设计。学员学完该课程之后，掌握了许多控制系统分析的方法，但对实际控制系统的设计基本没有思路，总感觉无从下手。

为此，在教学过程中，笔者强调基础分析方法的同时，引入另外一条控制系统设计的主线，以一个导弹控制系统仪器为例，从其控制原理、数学模型、时域响应分析、根轨迹分析、频域分析以及频率域校正方法出发，对该仪器系统进行分析与设计，既增加了学员学习相关知识的积极性，又提高了教学效果和学习效果。

此外，原教材的知识内容在控制系统的设计方面虽然篇幅较少，但是涉及相关设计的内容都已经融合在相关知识点中。比如对一阶、二阶系统的参数分析与调节，对系统开环增益的调节作用等，实际上对被控对象或系统增益的调节已经是系统设计的内容了。事实上，自动控制理论的发展在相当长的一段时间内都是对系统的参数进行调节。如果参数调节不起作用，则需要采用校正方法来改善系统的性能。

值得注意的是，过多地强调系统设计的内容会牺牲对基本理论与方法的教学。引入以实际控制系统的设计这条主线，应当处理好基本理论方法与应用之间的关系，注意把握基本理论方法与应用之间的“度”，这个“度”就是在不牺牲课程内容体系、知识体系完整性的前提下，适当增加设计方面的内容。

除此之外，对教学内容进行整合和精选，引入Matlab编制的辅助教学软件等措施，也在教学过程中得到了有益的尝试。

3 结束语

近三年来，在自动控制理论课程的教学过程中，采用基于方法论和认识论的有效教学方法的探索和实践，与以往的教学情况相比取得了明显的教学效果。有学员说，通过这样的教学方法，我们很容易理解课程的内容体系，知道该掌握哪些知识，哪些是重点，哪些是难点，能够从总体上把握经典控制理论的全貌。对于青年教员来说，通过这样的实践，能够让他们尽快地理解掌握课程体系和内容，尽快帮助他们成长为一名合格的自动控制理论课程教员。当然，随着自动化技术的飞速发展，为了能够适应新时期对人才培养的需要，必须加强自动控制理论课程的教学改革和探索，不断地更新和完善教学内容，改进教学方法，将自动控制理论课程的教学推向一个新的高度。

自动控制理论论文:浅谈《自动控制理论》专业基础课程教学改革

[摘要]《自动控制理论》课程为理工科院校电气自动化专业重要的专业基础课，是自动控制系统、过程控制、智能控制等专业课的先修课程。该课程理论性、系统性和综合性都很强，涉及到多学科的交叉。通过理论课程的学习,培养学生分析、设计控制系统的能力。为后续专业课程的学习打下坚实的理论基础。

[关键词]自动控制理论 课程改革 综合实践

《自动控制理论》课程是我院重要的专业基础课，近几年，我们通过课程建设，建立了新的自动控制课程体系，确立以系统分析、系统建模、系统综合为自动控制理论课程的主线，构建由时域分析、复域分析、频域分析、离散系统和非线性系统５个模块构成的知识体系。在教学过程中，把自动控制、计算机技术和电子技术有机地融为一体，使学生对控制系统的组成、分析、设计、综合等各个环节有全面的理解，并通过一系列的实践环节培养学生的综合实践能力。

一、课程体系科学化

《自动控制理论》是一门知识覆盖面广、内容多、更新发展快、理论性和抽象性都很强，具有一定深度和复杂性的课程，教师难教，学生难学。随着本科生教育的继续巩固和研究生教育的不断发展我们对课程体系进行了改革，制定了新的自动控制理论教学大纲，对课程的教学内容进行了调整优化，建立了一套适应性强的包括理论讲授、计算机辅助设计、实践教学和强化训练等方面在内的全方位教学新体系。

1.开发研制了计算机辅助教学课件

自动控制理论CAI课件的设计是一种根据教学大纲的要求，经过教学目标确定教学内容和任务分析的教学媒体，是利用计算机进行教学活动的交互方式。《自动控制理论》课是专业基础课，所以，在教学中应加强“三基础”教学，即基本理论、基本知识和基本技能，既要保证本学科的系统性、完整性，又要考虑专业培养目标对课程的要求。在进行CAI课件的设计时，我们依据以下三点：（一）以教学大纲为依据，充实和更新教学内容；（二）在教学中要做到保证基础教学，加强近代教学，联系实际教学，涉及前沿教学；（三）完善CAI模式，使课程结构体系更趋合理。教学课件以教材为蓝本，含简明、清晰的授课讲义、例题演示、控制系统计算机仿真和控制系统分析计算等内容，既有课本内容的直接再现，又增加了很多有助于讲解理论和计算方法的表现手段。课件以计算机为载体，既可用于课堂教学，又可通过上网及安装于学院计算机中心的方式，供学生进行自学和课后复习使用。

2.根据教学目标确定教学方法

在教学中采用启发式教学，注意培养学生的思维方法。如在对自动控制理论的讲授过程中我们始终围绕着系统的建模、分析、综合这条主线展开课程内容，花大气力以一个典型的系统为例进行系统模型的建立，通过采用不同的控制器引出常用的一阶、二阶系统进行典型系统的分析和系统的综合，然后对相关的内容讲思路、讲方法、做比较，这样以点带面举一反三，同时布置适当的习题去强化对主线的认识从而形成科学的思维方法。在课堂教学中注重教与学的互动。教师少讲、精讲，鼓励学生自学。对课程的重点内容进行课堂提问，对带有普遍意义或难点的问题事先布置，积极展开课堂讨论。

二、更新教学理念

1.抓住重点掌握基本概念

《自动控制理论》引入了一系列互相关联的基本概念，如稳定性、准确性、快速性，输入与输出，动态与稳态，反馈与前馈等，这些基本概念形成了本课程的知识要点，是学习理解的重点。要掌握好基本概念，首先应该从这些抽象概念的建立过程中加深对其理解，建立概念与其反映事物间的联系,搞清概念与相关概念之间的联系和区别，然后在实际应用中加深对其的认识。

2.抓住主线建立不同方法间的联系

稳定性、准确性、快速性是对控制系统的基本要求，也是系统性能的重要指标。稳、准、快贯穿了时域分析、根轨迹分析和频域分析方法的始终，也是系统综合设计要满足的性能要求。在本课程的学习中，以稳、准、快为主线，建立各种系统分析与设计方法之间的联系，有助于对课程内容的理解和掌握。

3.提高综合分析能力

《自动控制理论》既是专业基础理论课程，又是一门科学方法论。研究的内容既有一定的复杂性，又有一定的普遍性。因此，在学习中不仅要掌握教材中的结论，更要掌握其中体现出来的研究方法，培养系统的观念，提高综合分析问题的能力。

4.学会自学

要善于在学习中提出问题，解决问题，学会探究式学习，广阅参考书，拓宽视野，从更多控制系统的实例分析中，提高分析问题和解决问题的能力。利用提供的网上教学资源深入学习。

5.注重理论和实践相结合

反馈的现象比比皆是，反馈也是控制的精髓。在本课程的学习中，结合生产、生活实际，观察反馈系统的构成，将有利于对反馈的深入理解和认识，并自觉地将反馈应用到各种实际系统中去，学以致用。

6.主动参与教学

对学习中的收获、体会及心得、对教学的意见或建议、在学习中遇到的问题，通过网上的在线区或通过任课教师向课程组反映，课程组教师将随时给予答复。

三、 实验教学多样化

自动控制理论的实验教学既要培养学生分析问题和解决问题的能力还要重视培养学生的思维能力和创新能力。为此我们制订了新的实验教学大纲，重新编制了实验指导书，自动控制理论实验指导书增加了每个实验内容的涵盖量，增加了综合性实验。在实验教学过程中，注意充分发挥学生的主观能动性，注重教与学的互动，尽量只讲基本的操作方法，然后让学生自己发现问题。实验操作课上，每个学生必须独立完成每次实验内容，独立完成实验结果的分析，并且回答老师针对实验细节中的问题的提问，得到自己的结论。保证实验课的质量，全面检查实验操作。这样督促学生认真完成每次的实验操作，起到了很好的效果。

四、科学、有效的教学效果评价

教学评价是教学活动的一个重要组成部分，恰当的教学评价对学生的学习具有引导、激励和改进的作用。我们不是“一卷定乾坤”的评价方式，而是建立了从学习过程、作业练习到期末考试，定性评价与定量评价相结合，多视角、多元化的过程性评价体系。科学有效的教学评价帮助学生克服了应试心理，从重“结果”走向重“过程”，从重“知识”走向重“能力”。注重对学生平时学习状况与效果的考查，增加了实验考核，并将其按比例计入期末总成绩，对考试从内容、形式和管理上改革，使其更加科学、规范、公平。

五、结束语

多年来我们不断对控制理论课程进行探索和改革，做了大量细致而有效的工作，从而保证了教学质量和教学效果。在总结本科教学成果的基础上，我们跟踪国内外控制理论的发展，借鉴兄弟院校在该课程的先进教学经验，对课程体系、知识结构、教学方法和实验手段进行了一系列改革与创新，使“自动控制理论”课程从课程的准确定位、课程体系和教学内容的优化、教学过程的组织实施到教学效果的评价，形成了一套新的、更为有效的教学规范。它不仅提高了本课程的教学质量，同时为后续课程奠定了良好基础、起到了促进作用。

（作者单位：山东建筑大学信电学院 山东济南）

自动控制理论论文:自动控制理论课程教学改革探索

摘要： 为了更好地适应新形势下自动控制理论的教学，本文从课程体系、教学内容、教学方法、教学实践、考核形式等方面进行了改革探索实践，提出了一系列较为行之有效的措施和方法，对自动控制理论的教学起到了良好的效果。

关健词： 自动控制理论 课程教学 教学改革 实践

1.引言

自动控制理论是非常活跃的一个学科，它不仅仅是自动化专业的核心基础课程，还在航天、农业、交通、电气、机械制造等工程学科中都有非常广泛、重要的应用。随着计算机控制技术、通讯技术和网络技术的不断发展，自动控制理论处于一个关键的历史时期，正向着“广度”和“深度”两个方面快速发展和开拓。但是，由于该课程具有概念抽象、涉及的数学知识较多、工程实践性强等特点，因此用传统的教学方法，不少教师感到“难教”，学生也感到“抽象”难学，教学质量难以得到根本的保证。因此，在自动控制理论的教学工作中，针对社会发展变革对其新的要求，针对自动控制原理的课程特点，探索新的教学方法是非常重要和必要的。

2.课程教学改革的思路与实践

2.1坚持课程地位，提高学生学习的兴趣。

自动控制理论是一门理论性很强的课程，学生在学习该课程的时候还未接触过专业课程，因此，在学生刚开始接触这门课程的时候，不能一味地只对其灌输纯粹理论，讲述公式推导。过深的专业术语、过多的数学公式会使他们对这门课程产生畏难思想。兴趣是最好的老师，教师从第一堂课开始就应培养学生对这门课的兴趣，摒弃传统教学中发展历史的简单罗列，代之以声情并茂的图文、视频展示，如此既能融入大量专业信息，又能激发学生求知、探索的兴趣和激情，让学生真正理解和体会到自动控制理论课程在自动化专业中所处的重要位置。

2.2打破传统课程体系结构的约束。

传统的课程体系是将控制原理中经典控制理论和现代控制理论两大部分内容分割开来，自成体系，独立开课。从教学的效果来看，这样的讲授方式不利于学生建立自动控制学科基础理论和方法的总体框架。因此，我们在对课程的教学中，尽管仍然分为自动控制理论和现代控制理论两门课，但在整个课程的教学体系上已经完全打破了旧体系的约束，将经典与现代控制理论融会贯通进行教学。例如，在讲述控制对象的微分方程模型和传递函数模型的同时引入系统状态空间的概念，继而讲解状态空间和传递函数这两种系统描述之间的相互转换。通过这样一个过程，就可以将经典控制理论与现代控制理论的基本思路有机地结合。实践证明，利用这种教学方式，不仅能够使学生更好地认识控制理论的体系结构，还提高了学生学习的灵活性和主动性。

2.3加强数学知识的学习。

自动控制理论课程涉及较多的数学知识，包括高等数学、线性代数、积分变换、复变函数及矩阵论等数学知识。大量的数学知识常常令学生倍感学习压力，数学基础不好的学生更是顾虑重重，毕竟自动化系的学生是工科学生，不是纯理科学生。但是由于自动控制理论课程其自身的特点决定了学好该门课程必须具备一定的数学基础。所以，在教学过程中，教师应当根据课程的进度，有计划地给学生补习诸如拉普拉斯变换、傅立叶变换、三角变换、积分变换、留数定理、矩阵分析等数学知识，给学生创造一个相对轻松的心理环境。

2.4强化工程意识，培养工程能力。

自动控制理论课程虽然与数学等课程联系紧密，但该课程决不等同于数学课程。在该课程的教学中，我们从理论和工程应用相结合的角度，注意强化学生的工程意识，提高其工程实践能力。例如：在讲解系统的数学模型――微分方程的求解中，详细分析微分方程的解所对应的实际系统中的含义，使学生深刻理解数学意义与物理意义以及实际工程之间的联系。

2.5加强现代教学手段的使用。

随着当今信息技术地发展和网络设施的进一步完善，现代教学越来越多地依托于各种新兴的信息技术和设备。这些技术设备不仅可以有效地丰富教学手段，还可以很好地开展网络远程教育。自动控制理论课程的图形示意、图解分析较多，传统的板书方式很难直观形象地表达出来，因此适当地采用多媒体课件等现代化教学手段有助于学生理解。比如，在讲述动态“过渡过程”的概念时，采用多媒体授课方式可以将系统的过渡过程生动形象地表现出来，给学生提供最形象、直观的教学演示，有利于学生对抽象概念的理解，加深学生对这些知识点的理解，能够取得非常好的教学效果。

2.6注重实践教学，培养学生分析问题和解决问题的能力。

理论知识需要实践性教学的支持，实践性教学对巩固理论知识、培养学生分析解决问题的能力及开发他们的创造力都有重要的作用。而自动控制理论又是一门与实际紧密联系的课程，一般都安排在大学三年级第一学期，是学生接触较早的一门专业课。初学专业课的学生对实际的自动控制系统和常见的控制元件、控制器、执行机构等都没有直观的认识，对于该课程如果仅限于对知识的讲解，那么无论讲得怎么透彻，学生在学习过程中往往还是感到抽象难懂，在具体问题中，也不能够灵活运用课程中学到的知识和方法去解决。因此，引入实验教学，并且在实验过程中把理论知识的讲解和实际运用结合起来，会收到很好的效果，既使学生亲身体验控制理论的具体方法和思想，对解决实际问题能力的提高大有帮助，同时也有助于进一步深化理解所学的理论知识。

2.7考核形式的改革。

科学地运用考试的检查评价、教育激励、反馈调控、培养督导等功能对提高教育质量、推进素质教育会产生不可替代的作用。考试形式及成绩的评定，对于调动学生的积极性及提高学生的素质有重要的作用，为了检验学生的学习效果，可以将考试成绩划分为四个组成部分：平时成绩20%（包括作业、出勤率和平时课堂学习表现）、实验20%（包括实验操作和实验报告）、期中考试20%、期末考试40%。这种考核形式改变了一考定终身的考核制度，而对平时的学习及实践提出了更高的要求。结果表明，这种考核方式不仅使学生对于理论知识有很好的掌握，还充分地调动了学生实验操作的积极性，减轻了学生考试的负担，提高了学生学习的主动性。

3.结语

对自动控制理论课程的教学改革和实践切实提高了教学的灵活性和开放性，提高了学生的工程意识和创新能力。随着控制理论研究的范围进一步扩大，控制理论思想的发展和进步，在教学过程中应该不断发展和更新教学内容。

自动控制理论论文:自动控制理论在火电厂热工自动化中的应用

【摘 要】随着科学技术水平的不断提高，自动化技术在我国电力事业中得到了广泛的应用，并且对电力事业的发展起到了一定的促进作用。现阶段，我国对火力发电的研究正在逐渐加深，并且进行了一定的技术改革，火电厂热工自动化技术已经得到了很大的发展。随着高新技术的快速发展，我国机组容量的不断加大，火电厂热工自动化技术得到了一定的发展与完善。

【关键词】自动控制理论；火电厂；热工自动化；应用

现阶段，我国新建火电厂一般采用的都是自动化控制系统，以往常规控制系统也逐渐转变为自动化控制系统。随着自动化控制系统的快速推广，其性价比越来越可观，进而在工业生产与生活中得到了普遍的应用。本文主要对火电厂热工自动化现状进行分析，阐述自动化控制系统作用，介绍自动控制理论在火电厂热工自动化中的实际应用。

1 火电厂热工自动化现状

首先，在火电厂热工自动化领域中，主厂房基本上均使用DCS控制系统，而辅助车间均使用PLC控制系统。其主要原因就是，在早期的时候，DCS控制系统比较昂贵，并且人们认为辅助车间的作业是可以间断的，不需要具备很强的可靠性，要求模拟控制量也相对较少，为了可以有效降低生产成本，一般均是使用PLC控制系统进行生产。而对于发电机、汽机、锅炉等控制系统而言，均需要进行长时间的可靠运行，要求具有较好的模拟控制量，进而从系统性能方面考虑，一定要选择DCS控制系统维持运行。

其次，在锅炉燃烧过程中，一定要加强对AP论域的控制，也就是两个运行周期的锅炉压力变化差论域。对燃烧周期进行自动调整，可以对燃烧速度进行有效的控制。同时锅炉技术性能与煤质均会影响控制效果。因为隶属的函数曲线变化是互相交错重叠的，所以，在进行实际控制的时候，一定要加强对锅炉运行情况分析，保证其具有较强的适应性。

最后，在测量锅炉汽包液位的时候，因为汽包液位系统缺乏平衡能力的被控对象。当供水量出现变化的时候，因为锅炉传递给汽包的热量是一致的，非常容易导致出现液体大量汽化的情况，致使汽包液位测量结果不准确。其主要存在两种情况：一是，当供水量骤减或者出口蒸汽量增加的时候，其测量结果就会相对偏大；二是，当供水量骤增或者出口蒸汽量减少的时候，其测量结果就会相对减小，这也就产生了“汽包虚假液位”的现象。通常，在设计锅炉汽包液位检测回路的时候，经常忽略这一问题，导致影响了锅炉的正常运行。

2 自动化控制系统作用

首先，自动化控制系统主要就是在PLC控制系统与网络的基础上，形成的一种自动化系统，尽管其可以继续向上扩展一些管理信息系统，但是也无法充分发挥其作用。事实上，DCS控制系统也是分布式控制系统的一种架构模式，其控制器可以使用传统DCS控制器，也可以使用PLC控制器，或者是其它类型的控制器。由此可以看出，PLC控制系统也是分布式控制系统的一种架构模式。

其次，随着社会的不断发展与进步，出现了很多高级算法模块，比如，NT6000模块，其是一种具有设备极的模块，在一个模块上实现设备的控制与故障报警功能，并且在网络通讯中，也可以实现模块的相互传递。一个设备极模块就好比是0.5K梯形图编辑量，此时，要想让PLC控制系统也具备此项功能，就要进行很多的复杂操作。在运行调试、下载修改、远程诊断等方面，PLC控制系统无法进行有效的作业。而DCS控制系统可以进行有效的处理，并且通过多年的经验积累，其处理方案越来越完善。

最后，随着我国电力事业的快速发展，国家对节能降耗工作越来越重视，火力发电行业也进行一定的调整。在发展火力发电行业的时候，一定要加强火电电源的建设，不断优化资源配置，合理布置电力输送，保证我国所有地区供电的可靠性。并且在自动化控制技术方面投入了更多的研究力量，无论是资金投入，还是人员投入，促进了自动化控制技术的发展，进而在火力发电行业中得到了广泛的应用，促进了火力发电行业的快速发展。

3 自动化控制理论在火电厂热工自动化中的具体应用

3.1 主蒸汽压力调节

主蒸汽压力指的就是可以保证火电机组能够安全运行的重要监测参数，同时也是调节机组负荷与平衡锅炉汽机能量的重要指标。在调节主蒸汽压力的时候，主要就是利用锅炉燃烧调节系统进行调节。锅炉燃烧调节系统主要包括：引风调节、燃料调节、送风调节。

调节主蒸汽压力的策略就是基于能量平衡调节策略、基于给定值偏差和主蒸汽压力调节策略。本文主要对后者进行分析。此调节策略主要包括两种：单回路调节、双回路调节。单回路调节指的就是在给定值偏差和主蒸汽压力之间的调节，其控制信号就是燃煤量的调节偏差，具有一定的克服扰动能力差等不足，并且具有参数少、整定简单等优势；双回路调节指的就是在单回路调节的基础上，增加对燃煤量的导前信号控制，在此调节过程中，无法有效整定内外回路的参数，并且控制系统操作也比较麻烦，不过其也具有控制速度快、超调小等优势。

在进行导前信号选择的时候，有很多的方法，主要分为两种：一是，传统方法： ，其中，D表示主蒸汽流量信号； 表示锅炉蓄热系数；Pd表示气泡。二是，直接将燃煤量当成是导前信号。

3.2 热工自动化技术

热工自动化技术主要就是利用控制理论、智能仪表、信息技术、计算机技术、热能技术等相关技术，对热力学参数展开一定的控制与检测，进而实现对生产过程对控制、检测、调节、整理、优化，进而达到安全生产，实现生产产量的提高，降低消耗的一种高新技术。其主要就是实现锅炉、汽机、辅助设备运行的自动化，保证机组自动化运行的高效性、可靠性、安全性，并且确保生产运行的经济效益与社会效益。

随着科学技术水平的不断提高，自动化技术的不断进步，促进了热工自动化的全面发展。在生产过程中，利用新技术、新材料、新设备、新原理生产一些新的传感器与变速器等，使得控制系统与控制设备越来越先进，实现了热工生产的全面自动化。同时，随着新控制理论与策略的不断提出，在生产实践中得到了广泛的应用，并且促进了生产的可持续发展。

3.3 节能增效

随着社会经济的快速发展，能源与资源的消耗量越来越大，因此，全世界对能源与资源的消耗问题予以了高度的重视，尤其是在电力事业发展过程中。随着科学技术手段的不断增加，智能化、透明化、无线化、网络化等概念的不断提出，越来越重视自动化控制系统的开发与利用，并且对数据通信、测量、保护、控制等方面的内容也越来越关注。在机组运行过程中，应用了很多的新测量方法与理论，实现了其运行与故障处理的自动化控制，促进了电力事业的可持续发展。

4 结束语

总而言之，在火电厂生产经营管理过程中，加强热工自动化产品的应用，不仅可以增强火电厂生产的安全系数，防止发生一些故障与事故，还可以在一定程度上，增加火电厂生产的经济效益与社会效益。在火电厂热工自动化中应用自动控制理论，可以促进火电厂生产自动化水平的不断提高，达到预期的生产目标，进而实现电力事业的健康、快速发展。

自动控制理论论文:基于LabVIEW的自动控制理论虚拟实验系统开发

摘 要 根据上海开放大学控制工程基础课程的实验要求，利用虚拟仪器软件及其Control & Design Toolkit（CDT）开发一个虚拟实验系统，系统包括六个模块：传递函数、控制系统的典型连接、控制系统零极点模型、控制系统分析、二阶瞬态响应。该系统作为控制理论基础课程的辅助教学软件，提高了学生掌握知识与技能的效率，达到了将实验环节引入课堂的良好效果。

关键词 虚拟实验 LabVIEW 自动控制系统 传递函数

0 引言

在理工科专业的教学科研过程中，要想紧跟技术的发展，就要不断地更新教学和实验设备。而随着各学科实验项目和学生人数的增多，传统的实验室和实验仪器数量很难满足学生的需求。因此，虚拟仿真教学和实验室作为一种有效的解决方案应运而生，在各大高校已经获得了广泛的应用，并且成为高等教育实验课程发展的新方向。

虚拟仪器技术自1986年面世以来，已在各工程领域得到广泛的应用，①②在教学实验系统中也得到了应用发展。

在控制理论实验系统开发研究中，许多学校根据自己的需要，利用LabVIEW开发了多种实验系统。②③④⑤⑥

上海开放大学具有11万注册的在校生，教学与实验的条件受场地、时间、空间和设备的限制，较普通高校更为严峻。网络课程与虚拟实验在开放大学的应用显得尤为重要。

本文根据本校实验要求内容，利用虚拟仪器软件开发虚拟实验系统，从而方便学生进行不定时、不定点地实验。

1 系统总体设计思路

上海开放大学学生多为在职，他们利用晚上和周末进行继续学习，这使得他们具有以下特点：具有比较丰富的工作经验，学习更侧重理解并应用，学生的学习时间受限制。赵教授的实验指导书正是基于学生的特点而编写的。通过实验，加深学生对控制系统传递函数、控制系统构成、控制系统稳定性、典型二阶系统与参数的之间的关系等的理解。根据这些内容，系统设计了一个初始界面和五个功能模块：传递函数建立、典型连接、零极点模型、控制系统分析、二阶瞬态响应（如图1）。

控制仿真工具包能够很好地完成上述功能。

2 系统模块设计及展示

2.1 初始界面

系统设计一个初始界面，它通过选项卡和菜单按钮方式进入各功能模块。初始界面显示该实验系统可完成从传递函数构建、系统特性分析到系统运行仿真的整个过程。

2.2 传递函数构建模块和连接典型

LabVIEW提供一个控制仿真工具包。应用此工具包，在传递函数模块，通过输入系统微分方程的分子和分母系统，构建传递函数。如图2所示左端构建函数，右侧进行典型连接，完成各个环节的串联、并联及反馈连接。

2.3 零极点模型模块

此模块用来判断系统的稳定性。根据微分方程得出传递函数，得出系统的零极点图和伯德图，以便于判断其稳定性（如图3）。

2.4 控制系统分析模块

本系统设计了典型的一阶、二阶系统的时域响应。调整其参数，可得到不同的响应曲线，以便进行对比分析。模块运行界面如图4所示。

2.5 二阶瞬态响应模块

此模块专门分析二阶系统的时域响应。影响二阶系统的各个参数都可以进行调节，以便观察系统的响应特性，从而更为清楚地理解系统特性。模块运行界面如图5所示。

3 结语

仿真的实验界面能够加强学生对实验的兴趣，通过调节不同参数，可直接观测到各种实验过程。采用虚拟仪器代替传统实验仪器，有效的降低了硬件配置和实验成本。

实验充分利用了LabVIEW语言的灵活、开放，人机界面友好等特点，使用方便，具有良好的通用性和扩展性。

自动控制理论论文:电力业中自动控制理论的应用效果评估

【摘　要】近年来随着我国经济的飞速发展，我国电力行业也取得了跨越式发展，无论是装机容量还是发电量均取得了较高的增长。随着电力行业的继续发展，电力系统走向智能化已成为大势所趋，而建立一个坚强的智能电网也一直是国家电网的奋斗目标。由于自动控制理论的应用对提高电力系统智能化水平有着极大的推动作用，因而引起了各方越来越多的关注和探讨。本文针对电力行业中自动控制理论的应用及其效果评估进行了分析和研究，并进行了简要的阐述。

【关键词】电力业　自动控制理论　应用效果

一、引言

随着我国电力行业的不断发展与成熟，国外的发展经验告诉我们，走向电网的智能化与自动化已成为必然趋势。而想要提高电网系统的智能化与自动化水平，必须要应用先进的自动控制理论。随着我国不断推进的积极尝试，自动控制理论在电力业中已经有了较为广泛的应用，本文将针对自动控制理论在电力业中的应用及其应用效果展开分析。

二、自动控制理论的简介

自动控制理论作为自动控制科学的核心，走过了漫长的发展阶段，从20世纪初期形成的基于线性代数而发展起来的现代控制理论，到60年代中期综合了人工智能、运筹学等多挣学科并在此基础上发展形成的智能控制理论，自动控制理论不断走向完善与成熟，并得到了越来越多的认可，在电力、机械、采掘等诸多领域均得到了广泛的应用。

三、电力业中自动控制理论的应用

（一）电力系统的自动化

电力系统的自动化是通过运用自动控制理论，对整个电力系统进行实时监控，对电力系统运行中的各项运行数据指标实时进行采集与分析，并根据分析结果对电力系统进行控制，从而使电力系统的运行更加安全稳定，经济效能也得到较大提高，是自动控制理论在电力业中应用的目的。

“十一五”期间省网以上电力自动化投资汇总表

年份 2006 2007 2008 2009 2010

投资额/万元 150000 123000 90000 71000 50000

“十一五”期间电力自动化设备市场需求结构图

（二）电力业中应用到的自动控制理论

随着电力行业的不断发展以及自动控制理论的不断完善，很多先进的自动控制理论与技术逐渐被应用到电力行业中来：

1.神经网络控制。神经网络控制技术是一种综合性的现代控制技术，集合了非线性控制技术以及并行控制控制技术等在内的多种控制技术，自学习能力较强。神经网络控制技术可以将大量的电气设备像神经元一样连接起来，形成一个复杂的神经网络，并且通过自身学习的算法，对整个神经网络中复杂的线性关系和大量数据进行分析处理，在电力行业中有着重要的应用。

2.专家控制技术。专家控制技术能够完成电力系统的警告控制、特殊状态的识别、紧急情况下的应急处理等多项任务，对电力系统有着重要的意义。另外，专家控制技术还在电压无功控制以及故障点隔离等方面有着较好的应用效果。由于专业控制技术对电力系统有着较为重要的作用，因而在电力业中得到了较为广泛的应用。

3.最优化线性控制技术。最优化线性控制技术，作为如今自动控制理论中比较重要的一种技术，是线性范围内最好的控制方法，对于电力系统中，远距离输电能力的完善以及改善智能电网动态电能品质方面有着较高的应用价值，对电力系统也有着较高的应用价值。

4.综合智能控制技术。综合智能控制技术，能够吧现代控制技术以及智能控制技术两者有机的结合起来，应用到电力系统中。在实际运行中，可以通过综合运用神经网络控制技术、专家控制技术以及其他控制技术，使其协同工作，共同完成对电力系统的控制。综合智能控制技术作为其他技术的总管，在电力行业中也有着较为广泛的应用。

（三）电力业中自动控制理论的应用效果

自动化是电力行业走向成熟的必经之路，能够推动行业的进一步发展。将自动控制理论应用到电力行业中后，能够促进电力系统的不断完善，取得较好的应用效果。

1.实现电力调度自动化。应用自动控制理论对实现电力调度自动化有着较大的推动作用，实现了对电力系统运行时各项运行数据的实时监控与采集分析，并通过控制系统不断进行调整，从而使电力系统始终运行在最佳状态下，大大提高了电力系统运行的安全与稳定性，并且降低了设备的损耗，提高了经济效益。

2.实现变电站自动化。变电站作为电力系统中较为关键的一个环节，内部结构较为复杂。通过应用自动控制理论，在变电站远动装置控制、信号检测控制以及继电保护控制等多个方面有了较大的优化和提高实现了对变电站运行的实时监控，促进了变电站运行的自动化，从而大大降低了运行成本，提高了输送电能的质量，增加了经济效益。

3.实现配电网自动化。通过运用自动控制理论，实现了对配电网的自动化控制，从而大大降低了配电网过去对人力劳动的依赖，减少了工人的劳动负荷，提高了配电网运行的稳定性与可靠性，对于提高输送电能的质量也有着重要的积极意义。

总而言之，自动控制理论在电力业中的应用，能够提高电力系统运行的稳定可靠性，降低电网系统运行成本，提高经济效益，有着显著的应用效果。

四、结束语

随着我国经济社会的进一步发展，对电力系统提出了更高的要求，走自动化、智能化的道路才能不断满足国家发展对电力行业日益提高的要求。自动控制理论在电力行业中的应用，取得了较好的效果，对推进电力系统的自动化有着重要的积极意义。相信随着相关理论技术的不断完善，我国电力行业必将取得新的进步。

自动控制理论论文:自动控制理论探析

[摘 要]随着技术工具的进步如半导体微电子学、光学和光电子学、计算机和通信网络等信息采集、存储、传输、计算和处理技术的迅速发展也强力推动着自动控制理论研究向前发展。然而由于研究系统、对象越来越来复杂，这样就对自动控制理论以及其实际运用的研究就提出了更高的要求。本文首先对自动控制理论的发展作了一个简单的回顾，然后对Matlab软件作了一些简介、最后简单阐述了自动控制理论的研究现状以及其它在各不同领域的运用。

[关键词]自动控制理论；Matlab；模糊控制；鲁棒控制；最优化控制

随着控制系统复杂性的增加，不确定因素的增多，要求各控制理论分支有进一步的发展，弥补各理论分支的缺点与不足，以满足更高的控制性能指标。现有的控制理论在线性系统控制中大都能取得良好的控制效果，但对离散、非线性复杂系统领域的研究大都刚刚起步，或处于初级阶段，远未达到人们的期望。而实际工业生产过程的模型一般都很复杂，通常具有非线性、分布参数和时变等特性。因此将控制理论的研究领域推广到非线性复杂系统有重要的实际意义。另外与宏观复杂系统控制相对的量子控制（Quantum Control）也正在作为一个全新的学科领域蓬勃崛起，它的发展也依赖于完善的控制理论和优化控制策略。近年来随着微电子、半导体、计算机等技术的快速发展也强有力的推动了自动控制理论的发展。

一、现代控制理论的产生及其发展

控制理论作为一门科学，它的产生可追溯到18 世纪中叶的第一次技术革命，1765年瓦特发明了蒸汽机，应用离心式飞锤调速器原理控制蒸汽机，标志着人类以蒸汽为动力的机械化时代的开始，后来工程界用控制理论分别从时域和频域角度讨论调速系统的稳定性题，1872年劳斯（Routh E J）和1890年赫尔维茨（Hurwitz）先后找到了系统稳定性的代数据，1932年奈奎斯特（Nyquist H）发表了放大器稳定性的著名论文，给出了系统稳定性的奈奎斯特判据。美国著名的控制论创始人维纳（Wiener N）总结了前人的成果，认为客观世界存在3大要素：物质、能量、信息，虽然在物质构造和能量转换方面，动物和机器有显著的不同，但在信息传递、变换、处理方面有惊人的相似之处，1948 年发表了《控制论―或关于在动物和机器中控制和通讯的科学》，书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念，确立了控制理论这门学科的产生。

1.经典控制理论。第一代称为“经典控制理论”时期，时间为20 世纪40～50 年代。它研究的主要对象多为线性定常系统，主要研究单输入单输出问题，研究方法主要采用以传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析法，它的控制思想首先旨在对机器进行“调节”，使之能够稳定运行，其次是采用“反馈的方式，使得一个动力学系统能够按照人们的要求精确地工作，最终实现对系统按指定目标进行控制。”

2.现代控制理论。第二代称为“现代控制理论”时期，时间为20 世纪60～70 年代。经典控制理论对线性定常系统可产生良好的控制效果，但是它对多输入多输出、时变、非线性系统的控制却力不从心。所以50 年代末60 年代初，学者卡尔曼等人将古典力学中的状态、状态空间概念加以发展与推广，将经典控制理论中的高阶常微分方程转化为一阶微分方程组，用以描述多变量控制系统，并深刻揭示了用状态空间描述的系统内部结构特性如可控性、可观性，从而奠定了现代控制理论的基础。

3.第三代控制理论。以上所提的经典控制理论和现代控制理论都是建立在数学模型之上的，所以统称为常规（传统）控制。它们为了控制必须建模，但许多实际系统的高维性及系统信息的模糊性、不确定性、偶然性和不完全性给基于数学模型的传统控制理论以巨大的挑战。是否可以改变一下思路，不完全以控制对象为研究主体，而以控制器为研究对象；是否可以用人工智能的逻辑推理、启发式知识、专家系统解决难于建立数学模型的问题呢？智能控制的出现正源于这一思想。1967年Leondes 和Mendel 首次正式使用“智能控制”一词，1971 年傅京孙教授指出，为了解决控制问题，用严格的数学方法研究新的工具来对复杂的“环境2对象”模型进行建模和识别以实现最优控制，或者用人工智能的思想建立对不能精确定义的环境和任务的控制设计方法，这两者都值得试一试，而重要的是把两种途径密切结合起来协调的进行研究。沿着这一思想出发，现代控制理论将微分几何、微分代数、数学分析与逻辑推理、启发式知识建立和发展了智能控制理论相结合从而形成第三代控制理论大系统理论和智能控制理论。

二、Matlab工程软件

1.Matlab起源。早在70年代中期，Matlab的开发者美国人Clever Moler及其同事在美国国家科学基金的资助下研究开发调用LinPack和EisPack的FORTRAN子程序。到70年代后期，Clever Mloer教授利用业余时间为学生编写能够方便调用LinPack和EisPack的程序。Clever Mloer给这个接口程序取名为Matlab，这是从Matrix（矩阵）、Laboratory（实验室）各取前三个字母组成的，意思是“矩阵实验室”。

2.Matlab的特点与功能。Matlab自从1984年由MathWork公司推向市场以来，经历十几年的发展和竞争，现在逐步风靡世界，可靠的数值和符号运算能力、简单易学的程序语言、强大的图形和可视化的功能以及为数众多的运用工具宝石Matlab区别与其他科技应用软件的显著特点。其相关的功能如下：（1）数值和符号计算功能。Matlab的数值计算功能包括：矩阵的创建和保存；数值矩阵代数、乘方运算和分解；数组运算；矩阵操作；多项式和有理分式运算；数据统计分析、差分和数组导数；用于求积分、优化和微分方程的数组解的功能函数等。（2）Matlab语言。除了指令行操作的直接交互使用方式外，Matlab作为高级应用软件有它自己的编程语言。Matlab的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的习惯形式十分相似，简单易学。完全不需要对矩阵的乘法和求逆进行烦琐的编程。因此用Matlab求解问题比C语言、FORTRAN语言要简便的多。与其它高级语言的关系仿佛高级语言与汇编语言的关系一样，尽管它的执行效率比其它的高级语言低但是其编程效率、程序的可读性，可移植性要远高于它们。（3）图形和可视化功能。图形和可视化功能是现代应用软件发展的主要方向，也是前后版本间的最大差异之一。利用可以轻而易举地绘制二维、三维曲线，三维曲面，并可进行图形和坐标的标识、坐标控制、图形的迭绘、视角和光照设计、色彩精细控制等等。另外还可以非常方便地完成动画的绘制工作。Matlab还提供了对图形对象（Graph object）和图形句柄（Graph Handle）进行操作的“底层（low level）”指令，使用户可以随心所欲地对图形进行各种操作，为用户在图形表现和可视化方面开拓了一个广阔的、没有丝毫束缚的空间。

自动控制理论论文:自动控制理论的全英文教学方法实践

摘要：随着留学生人数的逐年增加，全英文专业课程的教学已在中国大学逐步开展。本文主要分析了全英文专业课程《自动控制原理》教学中的问题与挑战。从该课程的特点出发，讨论了保证全英文专业课教学质量的关键措施和经验。

关键词：全英文教学；自动控制原理；教学方法

自动化技术在社会生产和生活中具有广泛的应用，自动化专业教育具有巨大的市场需求。《自动控制原理》课程是自动化专业的主干课程之一，并且此课程是后续自动化专业课程的基础。该课程传授反馈控制系统的最基本概念以及反馈控制系统分析设计最基础的思路方法，是自控专业学生能力培养的基石。随着经济全球化和中国经济的快速发展，外企在中国投资和中国企业走向国际已经成为现实。这种现状使得高科技人力资源在不同国家流动的趋势越来越强。中国大学留学生数目以及中国高校毕业生使用英语在外企和国外工作的数目呈不断上升趋势，中国大学与英语国家的校级交流也越来越多，这些变化都使得中国大学教育对全英文专业课程教学的需求越来越大[1-3]。全英文《自动控制原理》课程就是为了适应这种教育国际化的形式而设置的。目前中国大学教育处于走向国际化的初步阶段，探索并交流适应现阶段形式的全英文课程教学方法提高全英文教学质量是非常必要的。

一、课程特点与教学对象分析

《自动控制原理》课程是一门理论性非常强的专业基础课程，面向电类专业中国本土学生和留学生开设。该课程对学生的数学基础知识要求比较高，课程用全英文开设，还需要学生具有较强的英文听力和阅读理解力，作业和实验报告等需要学生有较强的英语书面表达能力。该课程设有实验环节，在有留学生参与的实验小组进行系统分析与设计的团队工作，不仅需要学生有较强的实验操作能力还需要学生具有良好的专业英语口头沟通能力。《自动控制原理》课程是自控专业的基础课程，在大学三年级上半年开设，是其他自控专业课的基础，只有很好地理解和掌握控制原理的基础知识，才能继续学习好后续的其他专业课。目前我校留学生人数虽然呈上升趋势但绝对数量还不是很多，全英文教学班一般由本土学生和来自非洲、欧洲、美国、亚洲等不同地区的留学生组成。由于学生们的背景不同，学生的数学基础、英语程度、接受能力、思维习惯和特点都具有一定的差异。一般来讲，本土学生的数学基础较好一些，英语阅读能力较强，但因生活环境为中文，英语听力理解能力相对阅读能力弱一些；对于母语不是英语的留学生，因其有限的英语程度，在课程学习和交流中具有一定困难。从已开设的英文课来看，一般留学生的数学基础相对中国学生弱一些。对来自不同背景学生进行自控原理的教学，如何因材施教，具有一定的挑战性。

二、教学组织与方法

面向不同背景的学生来源开展《自动控制原理》的全英文教学，要保证提高教学质量，必须从师资配备、教学对象认识、教学组织、教材选择、教辅资料与软件工具选择、实验安排等方面全方位地合理安排。全英文教学应该从教学对象背景的需求出发，在注重知识传授、能力培养的同时，要特别注意教学交流质量的提高，以达到知识传授、能力培养的目的。

1.教学团队的素质。自控原理的全英文教学，涉及数学及专业知识的传授、使用英语的沟通，在教学对象来源差异较大的情况下，对教学团队的素质要求比较高。（1）教师英语能力基础及保持：全英文授课的教师，一般应具较强的责任心，具有较好的英语口语表达能力。尽管有些老师有海外学习经历，全英文任课老师由于一般工作在中文语境中，也要注意英语听说能力的保持。（2）专业知识及其应用能力：《自动控制原理》课程是一门比较传统和基础的课程，任课老师一般都学习过此门课程。因此老师对相应的知识点都比较熟悉，但对于课程知识的应用还需予以加强。教师应该有课程相关的比较全面系统的知识背景，不仅可以讲述课程的知识点，也能够讲述知识点之间的相互联系以及知识点的应用环境、应用方法及应用工具，使学生不仅获得课程的知识点，还获得关于知识应用方面的技巧。（3）面向教学对象的教学方法：课程教学的效果取决于课程教学的方法。一般教学方法由理论学习和课堂经验积累两种途径获得。教学方法没有绝对的好与不好，关键的是教学方法要适用于教学对象。因此除了一般教学方法的掌握，教师还要在教学实践中注意收集学生对教学的反馈意见，不断积累总结教学方法及其适用对象。（4）教师的组织与沟通能力：主讲教师是课程的负责人，全面负责助教、实验指导老师和学生之间的工作安排和沟通。教师应该在第一节课收集所有学生的联系信息，包括留学生的国籍，并向学生公布课程助教、实验指导老师的联系方式，保证课程参与者的双向沟通。

2.课程教材与辅助材料：（1）课程教材的选择要考虑到教学对象，选择难易适中的教材。在本课程的实践中，为了满足不同层次学生的需要，为学生推荐了一组具有不同特点的教学参考书。在参考书中有相对比较深的教材满足专业和英语基础比较好、好奇心上进心比较强的学生；也有参考书比较深入浅出，易于理解，满足基础相对弱的同学。考虑到中国本土学生将来也有可能在中国企业工作，本课程推荐了具有中文翻译版的英文原版经典教材，便于学生能在课后了解专业词汇的中文表达，也帮助英文程度差但具有一定中文语言能力的学生对课程的理解。另外本课程为学生提供控制原理主要贡献者的生平介绍，帮助学生理解一些控制原理产生的背景，让学生们学习该领域大师的创新精神。（2）教学辅助资料与工具的提供可以帮助学生理解复习课堂教学的内容。本课程为学生提供中英文对照专业词汇，帮助学生对课程的理解和掌握，并能使用英文专业词汇进行作业和实验报告的表达。自控原理是一门对数学要求比较高的课程，可以把一些课程常用的数学公式表，如拉普拉斯变换表等，作为辅助材料提供给学生。本课程还在课程网页上提供全部课程的英文录像，如果学生在上课时没有完全消化，可以在课后自己观看相关课程录像，理解和消化上课的内容。

3.课堂教学方法。课堂教学是课程知识传授的主要环节，直接影响到最后的教学效果。教师在英文课堂教学中，要注重以下环节：（1）任课老师的课堂表达：教师上课应注意循序渐进，深入浅出，板书要整洁明了。语言采用简单明了、易于理解的句型。考虑到班级里有英语听力不太好的学生，上课语速要适中，并配有相应的关键字板书或多媒体演示稿，以补充学生由于听力原因造成的信息损失。发放多媒体演示稿关键部分的纸质打印件，方便学生做课堂笔记。教师上课应该基础部分简单清晰、教学内容应有扩展性，同时注重介绍知识的应用环境，既要照顾到基础较差的学生，也应满足综合能力强的学生的需求。（2）课堂教学的互动与反馈：由于该课程理论性强，对数学基础要求高，大部分学生使用第二语言第一次接触新的概念，如果没有进行足够时间的预习很难在课堂上使用英语主动提出问题。而电类专业的学生学习任务比较繁重，一般没有时间做足够的预习。教师可以围绕课程内容，设计课堂讨论题目，采用分组课堂练习的形式，一般为二到三人一组，学生可以互相讨论，加强对所学概念方法的理解，教师在学生练习时，巡回检查，期间学生可以向老师询问不懂之处。这种形式的全英文互动，既减少了学生的表达压力，又能达到互动反馈教学效果的作用，非常受学生欢迎，教师也能及时发现学生难于理解的知识点。

4.课程实验。课程实验是课程教学的重要环节，学生通过实验可以加深对课堂知识的理解，并掌握理论知识的应用方法。为保证实验质量，首先要向学生提供清晰的实验指导书，在实验分组时应避免将留学生分在一组，而是将中国本土学生与外国学生搭配开来，加强留学生与中国学生相互交流学习，帮助留学生融入本土学习环境，克服由于外国学生对环境的不熟悉造成的工作障碍，顺利完成课程实验任务。实验报告也是课程实验的重要组成部分，要求学生对实验数据进行有效处理，对实验现象运用课程理论知识进行详细分析、解释。

5.课程学习质量的监控与评估。学生课程学习质量的监控分课堂学习评估、课程阶段学习评估和课程学体评估。课堂学习评估主要通过课堂练习来进行。教师通过学生课堂练习的情况，评估学生课堂学习的质量，改善课堂教学效果。课程阶段学习评估主要通过阶段小测验来进行，通过阶段小测验可以测试学生对一个阶段所学知识的综合运用能力。课程学体评估包括学生的课堂表现、作业情况、小测验情况以及实验情况和期末考试，是学生整个课程学习过程的综合评估。期末考试内容应该含概课程基础知识、课程知识灵活应用和课程知识综合运用等层次，以测试不同层次学生掌握课程知识的情况。

现阶段全英文专业课程教学在中国大学尚属于初步发展阶段，本文主要讨论全英文自控原理课程的教学特点与方法。论文分析了全英文课程班的学生组成和特点，阐述了自控原理全英文课程的教学质量保证的关键措施及经验，为中国大学全英文专业课程的发展提供参考。

自动控制理论论文:自动控制理论发展综述

摘 要:综述了自动控制理论的发展情况,指出自动控制理论发展阶段和现代自动控制理论的发展。最后指出,各种控制理论的复合能够取长补短,是控制理论的发展方向。

关键词:自动控制理论；人工智能；智能控制

自动控制理论是自动控制科学的核心。自动控制理论自创立至今已经过了三代的发展:第一代为20世纪初开始形成并于50年代趋于成熟的经典反馈控制理论;第二代为50、60年代在线性代数的数学基础上发展起来的现代控制理论;第三代为60年代中期即已萌芽,在发展过程中综合了人工智能、自动控制、运筹学、信息论等多学科的最新成果并在此基础上形成的智能控制理论。经典控制理论(本质上是频域方法)和现代控制理论(本质上是时域方法)都是建立在控制对象精确模型上的控制理论, 而实际上的工业生产系统中的控制对象和过程大多具有非线性、时变性、变结构、不确定性、多层次、多因素等特点,难以建立精确的数学模型。因此,自动控制专家和学者希望能从要解决间题领域的知识出发,利用熟练操作者的丰富经验、思维和判断能力,来实现对上述复杂系统的控制,这就是基于知识的不依赖于精确的数学模型的智能控制。本文将对经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论的发展情况及基本内容进行介绍。

一、自动控制理论发展概述

自动控制是指应用自动化仪器仪表或自动控制装置代替人自动地对仪器设备或工业生产过程进行控制,使之达到预期的状态或性能指标。对传统的工业生产过程采用自动控制技术,可以有效提高产品的质量和企业的经济效益。对一些恶劣环境下的控制操作,自动控制显得尤其重要。自动控制理论是与人类社会发展密切联系的一门学科,是自动控制科学的核心。自从19世纪Maxwell对具有调速器的蒸汽发动机系统进行线性常微分方程描述及稳定性分析以来,经过20世纪初Nyquist,Bode,evans,Wienner,Nichols等人的杰出贡献,终于形成了经典反馈控制理论基础,并于50年代趋于成熟。经典控制理论的特点是以传递函数为数学工具,采用频域方法,主要研究“单输入——单输出”线性定常控制系统的分析与设计,但它存在着一定的局限性,即对“多输入——多输出”系统不宜用经典控制理论解决,特别是对非线性、时变系统更是无能为力。现代控制理论本质上是一种“时域法”,其研究内容非常广泛,主要包括三个基本内容:多变量线性系统理论、最优控制理论以及最优估计与系统辨识理论。现代控制理论从理论上解决了系统的可控性、可观测性、稳定性以及许多复杂系统的控制问题。但是,随着现代科学技术的迅速发展, 生产系统的规模越来越大,形成了复杂的大系统,导致了控制对象、控制器以及控制任务和目的的日益复杂化,从而导致现代控制理论的成果很少在实际中得到应用。经典控制理论、现代控制理论在应用中遇到了不少难题,影响了它们的实际应用,其主要原因有三:这些控制系统设计和分析都是建立在精确的数学模型的基础上的, 而实际系统由于存在不确定性、不完全性、模糊性、时变性、非线性等因素,一般很难获得精确的数学模型;研究这些系统时,人们必须提出一些比较苛刻的假设,而这些假设在应用中往往与实际不符;为了提高控制性能, 整个控制系统变得极为复杂,这不仅增加了设备投资,也降低了系统的可靠性。

二、现代控制理论的发展及基本内容

经典控制理论虽然具有很大的实用价值,但也有着明显的局限性。其局限性表现在下面二个方面:第一,经典控制理论建立在传递函数和频率特性的基础上,而传递函数和频率特性均属于系统的外部描述(只描述输入量和输出量之间的关系),不能充分反映系统内部的状态;第二,无论是根轨迹法还是频率法,本质上是频域法(或称复域法),都要通过积分变换(包括拉普拉斯变换、傅立叶变换、Z变换),因此原则上只适宜于解决“单输入——单输出” 线性定常系统的问题,对“多输入——多输出”系统不宜用经典控制理论解决,特别是对非线性、时变系统更是无能为力。

现代控制理论正是为了克服经典控制理论的局限性而在20世纪50、60年代逐步发展起来的。现代控制理论本质上是一种“时域法”。它引入了“状态”的概念,用“状态变量”(系统内部变量)及“状态方程”描述系统,因而更能反映出系统的内在本质与特性。从数学的观点看,现代控制理论中的状态变量法,简单地说就是将描述系统运动的高阶微分方程,改写成一阶联立微分方程组的形式,或者将系统的运动直接用一阶微分方程组表示。这个一阶微分方程组就叫做状态方程。采用状态方程后,最主要的优点是系统的运动方程采用向量、矩阵形式表示,因此形式简单、概念清晰、运算方便,尤其是对于多变量、时变系统更是明显。特别是在Kalman提出的可控性和可观测性概念和极大值理论的基础上,现代控制理论被引向更为深入的研究。现代控制理论研究的主要内容包括三部分:多变量线性系统理论、最优控制理论以及最优估计与系统辨识理论。由于篇幅所限,有关现代控制理论研究的具体内容请参见有关文献,这里从略。

三、结论

以上我们介绍了自动控制理论的发展情况和现代控制理论，各种控制理论都有其优点、缺点和适用范围,如果能够取长补短,则必然能够扩大其应用的范围,因而是控制理论的发展方向。事实上,现在已经出现了集经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论于一身的各种复合控制理论,如模糊PID复合控制、模糊变结构控制、自适应模糊控制、模糊预测控制、模糊神经网络控制、专家PID控制、专家模糊控制等等。

自动控制理论论文:基于CDIO的“自动控制理论”工程教育研究和实践

摘要：针对“自动控制理论”课程在工程实践教学中的不足，运用CDIO教育理念对该课程的工程教育进行研究和实践，明确“自动控制理论”课程中学生的学习需求，重新设计教学模式，强化工程实践能力培养，考核方式采用多元化模式。解决了目前该课程工程教育面临的困难，调动了学生学习的积极性，提高了学生的工程实践能力和创新能力。

关键词：自动控制理论；工程教育；CDIO理念

进入21世纪，经济全球化对我国工程技术人才的需求日益增长，对工程教育的发展带来了机遇。但在我国的传统工程教育中，重理论轻实践，过分强调知识的理论深度和系统性，而忽略了各学科知识间的联系，特别是忽视理论知识的应用。“自动控制理论”作为自动化学科各专业的一门重要的专业基础课程，[1]是为培养从事控制领域的科学研究和工程技术人员而设置的。在“自动控制理论”课程中，传统教学多局限于课堂授课，结合线性系统时域分析、根轨迹分析和频率特性分析等基础验证性实验和系统动态、稳态特性分析等分析性实验，而强调工程实践的综合性和创新性内容不足，偏离实际工程应用。

黄山学院（以下简称“本校”）作为一所地方性普通本科高校，与学术性高校“错位竞争”，明确办学定位为应用型。因此，结合本校“自动控制理论”课程教学的实际情况，对“自动控制理论”课程教学提出了改革思路。本文将利用CDIO工程教育模式的理念，[2]明确“自动控制理论”课程中学生的学习需求，重新设计教学模式、强化工程实践能力培养和考核方式多元化，以提升该课程工程教育的质量和内涵。[3-6]

一、CDIO工程教育理念

CDIO代表构思（conceive），设计（design），实施（implement），运行（operate），是由MIT和瑞典几所大学在Wallenburg基金会的资助下，经过几年的研究、探索和实践于2004年创立的工程教育模式。该教育模式是以产品、过程和系统的构思、设计、实施和运行全生命周期为背景的教育理念为载体，以CDIO教学大纲和12标准为基础，让学生以主动的、实践的、课程之间具有有机联系的方式学习，获取工程能力。

CDIO工程教学模式的主要特色在于它创造了能够深化技术基础和实际能力的学习经验。采用现代教学方法、创新教学模式和新的学习环境为学生提供接近工程实际的学习经验，这些具体的学习经验创建了一个与技术基础相关的学习抽象概念的认知框架，并为学生提供有助于理解和记忆这些抽象概念的实际应用机会，由此提供掌握深厚基础知识的途径。

二、“自动控制理论”课程教学改革

1.重新设计教学模式

根据“自动控制理论”课程特点，运用CDIO工程教育理念，坚持以学生为本，建立知识、能力、素质培养体系，将系统的构思、设计、实施和运行贯穿整个教学过程，对“自动控制理论”的教学目标、课程体系、教学活动及组织形式等进行全方位思考与设计，形成基于CDIO的“自动控制理论”课程教学模式，如表1。

2.强化工程实践能力培养

为了加强“自动控制理论”课程工程实践能力的培养，在传统教学的基础上，融合项目教学、虚拟仿真和案例分析等方法，让学生在模拟工程实践的环境中进行学习。

（1）项目教学。基于项目的教学是建立在具体问题的基础上来寻找解决问题的办法。为了践行CDIO工程教育理念，依托项目以3～5名学生为一组，教师采用点拨方式或共同探究的方式进行指导。具体实施步骤如下：

1）构思（C）。通过加深学生对自动控制系统的使命、需求、功能、技术和构建等概念设计的理解，其主要形式是要求学生对控制系统进行分析、思考，形成对控制系统设计开发的基本感性认识，加深对控制系统基本分析和设计方法的理解。

2）设计（D）。要求学生使用控制方法，完成自动控制系统的需求定位、模型开发、系统分析、系统架构等。通过实践，使学生掌握自动控制系统工程的基本原理、方法、技术、工具，并能够在实际中应用。

3）实现（I）。将设计成果加以实现，着力培养学生的务实精神、工程能力和团队精神。

4）运行（O）。每个小组对所开发的控制系统进行实际应用，并建立相应的应用、营销和服务渠道。实在难以在实际应用的要求建立模拟实际应用环境，实施模拟应用。运行主要目的是让学生了解市场，培养学生的务实精神和实际工作能力。

（2）虚拟仿真。虚拟仿真，就是用一个系统模仿另一个真实系统的技术。虚拟仿真技术的引入，将使控制系统设计的手段和思想发生质的飞跃，更加符合现代社会发展的需要。采用虚拟仿真能够使学生在一个比实际情况更安全的环境中提高工程实践能力，可以说在“自动控制理论”课程中应用虚拟仿真技术是可行且必要的。

（3）案例学习。案例学习可以提供很多关于实际工程的具体经验，一个典型案例还可以提供详细的背景内容。通过讨论案例，学生能够亲自体验系统或产品的CDIO过程，并参与疑问的解答，提高了学生的思考和决策能力。

3.考核方式多元化

传统“自动控制理论”课程考核方式笔试偏重理论知识考核，难以考察对实际自动控制系统的设计、分析和建造等工程实践能力。针对本课程注重工程实践性、创新性和应用技能培养的要求，改革单一的考核方式，综合学生在知识、创新、应用等多方面能力，采用笔试、课堂互动、实验操作、项目开发等多元化考核方式。多元化考核方法不仅促使学生重视课堂知识的掌握，还重视知识的工程应用与创新，有效地提高了教学水平和教学质量。

三、总结

CDIO工程教育模式的核心是培养学生的工程素养、工程实践能力。“自动控制理论”课程作为工程背景较强的课程，只有掌握坚实的理论基础，具备严谨的工程推理和解决问题的能力，才能在后续课程中熟练地运用自控理论知识解决工程实际问题，并为往后能在工作岗位上灵活运用所学知识打下扎实的基础。

自动控制理论论文:控制理论在“自动控制元件”课程教学中的应用

摘要：在对“自动控制元件”课程教学改革的实践中，以控制理论思想作为指导，在深入分析课程、学员和教员的实际情况的基础上，建立了课程教学反馈控制系统模型，采取了优质提问教学法等多种反馈方式，取得了较好的教学效果，同时也提高了教员的教学水平。

关键词：控制理论；自动控制元件；反馈控制教学

所谓控制，就是根据系统内外部变化，进行有目的的调整，一次又一次地克服不确定性，纠正偏差，使系统始终处于某种特定状态的一种活动。[1]控制理论认为，任何系统、过程与运动都可以看作一个复杂的控制系统，控制理论思想的应用并不仅仅局限于工业生产或军事设备控制方面，也可以扩展到其他领域。

教学是一种有计划、有目的的活动。教学的目的在于使学生形成一定的心理过程及特性。学生的心理过程是有规律的，因而是可以控制的，问题在于掌握借以控制这种过程的规律。由此认为，控制理论对于教学来说，在原则上也是适用的。因此可以将控制理论的基本原理和方法推广至教学领域，建立教学控制系统，结合教学过程的特点及规律，改革传统教学过程，研究和解决教学过程中的一系列问题，以实现对教学过程的有效控制和全面优化，从而更好地控制教学质量，提升学员的学习积极性，提高教员的教学水平，达到教学相长的目的。

一、反馈控制教学的基本原理

控制系统由被控对象和控制装置组成，控制方式分为开环控制、闭环控制和复合控制，传统的知识注入型教学过程通常为开环控制方式。以学员作为控制对象，以课程教学目标为期望值，以教学效果为控制量，可建立课程教学开环控制系统，如图1所示。

在图1所示的系统中，教员进行课堂授课时，学员扮演的是被动接收知识的角色。从控制理论观点来看，传统的知识注入型教学存在着控制作用的断续性与反馈联系的偶然性问题，因而不是最佳的教学方式。由于缺少有效且连续的反馈信息，教员无法及时掌控教学情况，学员学习主动性差，教员教学水平提高缓慢，往往难以达到预期教学效果。

若在系统中增加前馈补偿和反馈通道，则可建立闭环（反馈）教学控制系统，如图2所示。

由图2可知，由于建立了良好的反馈联系，教员在教学过程中能够及时发现实际教学效果与教学目标的偏差，从而根据反馈控制原理适时改变控制方式（调节教学内容、教学进度、教学方法和教学手段等），以保证：教学过程始终沿着教学目标的固有轨道前进；教学内容、方法和手段适合教学对象，且不断趋于完美；教学研究与教学本身得以同步发展。

在课程教学实践中，应该依据课程、学员和教员等各方面的实际情况，深入分析课程教学控制系统的各个组成部分，细化前馈和反馈环节，建立课程教学控制系统模型，图3为针对“自动控制元件”课程建立的教学反馈控制系统结构图。

由图3可知，在“自动控制元件”教学反馈控制系统中，以自主预习的前馈补偿方式以及自主复习的局部反馈方式促使学员在自控（学员自学）和他控（学员之间的相互学习、交流、激励）方式作用下，初步消化和掌握教员在课堂授课过程中讲授的理论知识。教员在课堂授课过程中，采用有效的课堂提问等方法，及时掌握学员学习动态，实时调整教学过程，以保证教学效果；课后，通过每周答疑、课后作业、课程实验、课中考核、课外实践以及学员针对课程提供意见建议等多种反馈方式，获取学员对课程知识的掌握和应用情况以及学习态度、精神状态等，并根据反馈信息适时调整教学过程，从而缩小教学效果与教学目标的偏差。在传授知识和能力的同时，教员的授课能力也可通过自身的总结交流、教学督导组的评价以及学员的意见建议等三个反馈渠道得到及时反映，以促进教学水平的提高。

二、反馈控制教学中需要注意的问题

在教学控制系统中，教学是一种有目的、有计划的实施控制活动的过程。要实现有效控制，首先必须建立较为准确的系统模型，然后根据课程、学员和教员的实际情况制定行之有效的控制方式。既要因“材”施教，也要因“才”施教，“材”指的是课程的教学目标和教学内容，“才”指的是学员和教员。实现因“材”施教和因“才”施教的关键在于构建有效的信息反馈通道。

1.教学控制系统模型的建立

系统模型越准确，控制效果越好。因此在系统建模时，必须深入分析教学反馈控制系统的各部分结构，了解“材”和“才”的实际情况，确定系统期望和反馈信息及其之间的关系。教学控制系统中需要明确的主要信息和组成部分包括：

（1）系统期望，即教学目标。严格依照专业人才培养方案和课程标准制定课程的总体教学目标和各章节、每次授课的教学目标。

（2）被控对象，即学员。通过课前召开座谈会、课中答疑以及与学员代表交流沟通等方式全方位了解授课对象。

（3）控制方式，即教学实施方案。制定具体且具有针对性的课程教学改革方案、课程教学设计方案和课堂教学方案。而在课堂教学实施计划开展之前，教员应该进行精心的教学准备，具体工作包括深入理解教学内容、设计具有一定特色的多媒体课件和教案、熟练掌握几种教学方法、开发交互式课程学习网站和建设试题库等。

（4）评价方式，即根据学员的学习情况，把实际值与期望值进行比较，对教学工作做出客观评价。按照教学目标衡量实际成效，最理想的情况是在偏差较小时就有所察觉，并采取措施加以改善。但是，仅凭经验是远远不够的，必须制定客观公正、切实可行的评价方案对学员进行综合评定，才能客观地评价教学效果。

2.反馈控制方式的选择

在教学过程中，课堂授课是知识传递的一个关键环节，在此环节中必须采取有效的反馈方式，以获取足够的反馈信息。在“自动控制元件”课程教学过程中，教学组在课堂授课过程中采用了优质提问教学法（Quality Questioning， QUILT）。QUILT是一种“通过提问、理解促进学习和思考”的教学方法，包括精心准备问题、适时抛出问题、激发学员回答、对学员的回答进行加工以及对提问行为进行反思五个阶段。[2]通过QUILT，可以调动学员的学习积极性，使更多的学员参与思考，更重要的是能够迅速获取学员对知识的理解程度的反馈信息。同时，教学组采取其他方式获取更多反馈信息，主要包括每周答疑、课后作业、课程实验、课中考核、课外实践活动（“三性”实验、“三小”活动、数学建模、电子设计、机器人大赛）等，使学员在掌握理论知识的同时，提高动手能力和实际应用能力。

自动控制理论论文:自动控制理论初探

【摘 要】随着技术工具的进步如半导体微电子学、光学和光电子学、计算机和通信网络等信息采集、存储、传输、计算和处理技术的迅速发展也强力推动着自动控制理论研究向前发展。然而由于研究系统、对象越来越来复杂，这样就对自动控制理论以及其实际运用的研究就提出了更高的要求。本文首先对自动控制理论的发展作了一个简单的回顾，然后对Matlab软件作了一些简介、最后简单阐述了自动控制理论的研究现状以及其它在各不同领域的运用。

【关键词】自动控制理论；Matlab；模糊控制；鲁棒控制；最优化控制

随着控制系统复杂性的增加，不确定因素的增多，要求各控制理论分支有进一步的发展，弥补各理论分支的缺点与不足，以满足更高的控制性能指标。现有的控制理论在线性系统控制中大都能取得良好的控制效果，但对离散、非线性复杂系统领域的研究大都刚刚起步，或处于初级阶段，远未达到人们的期望。而实际工业生产过程的模型一般都很复杂，通常具有非线性、分布参数和时变等特性。因此将控制理论的研究领域推广到非线性复杂系统有重要的实际意义。另外与宏观复杂系统控制相对的量子控制（Quantum Control）也正在作为一个全新的学科领域蓬勃崛起，它的发展也依赖于完善的控制理论和优化控制策略。近年来随着微电子、半导体、计算机等技术的快速发展也强有力的推动了自动控制理论的发展。

一、现代控制理论的产生及其发展

控制理论作为一门科学，它的产生可追溯到18 世纪中叶的第一次技术革命，1765年瓦特发明了蒸汽机，应用离心式飞锤调速器原理控制蒸汽机，标志着人类以蒸汽为动力的机械化时代的开始，后来工程界用控制理论分别从时域和频域角度讨论调速系统的稳定性题，1872年劳斯（Routh E J）和1890年赫尔维茨（Hurwitz）先后找到了系统稳定性的代数据，1932年奈奎斯特（Nyquist H）发表了放大器稳定性的著名论文，给出了系统稳定性的奈奎斯特判据。美国著名的控制论创始人维纳（Wiener N）总结了前人的成果，认为客观世界存在3大要素：物质、能量、信息，虽然在物质构造和能量转换方面，动物和机器有显著的不同，但在信息传递、变换、处理方面有惊人的相似之处，1948 年发表了《控制论—或关于在动物和机器中控制和通讯的科学》，书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念，确立了控制理论这门学科的产生。

1．经典控制理论。第一代称为“经典控制理论”时期，时间为20 世纪40～50 年代。它研究的主要对象多为线性定常系统，主要研究单输入单输出问题，研究方法主要采用以传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析法，它的控制思想首先旨在对机器进行“调节”，使之能够稳定运行，其次是采用“反馈的方式，使得一个动力学系统能够按照人们的要求精确地工作，最终实现对系统按指定目标进行控制。”

2．现代控制理论。第二代称为“现代控制理论”时期，时间为20 世纪60～70 年代。经典控制理论对线性定常系统可产生良好的控制效果，但是它对多输入多输出、时变、非线性系统的控制却力不从心。所以50 年代末60 年代初，学者卡尔曼等人将古典力学中的状态、状态空间概念加以发展与推广，将经典控制理论中的高阶常微分方程转化为一阶微分方程组，用以描述多变量控制系统，并深刻揭示了用状态空间描述的系统内部结构特性如可控性、可观性，从而奠定了现代控制理论的基础。

3．第三代控制理论。以上所提的经典控制理论和现代控制理论都是建立在数学模型之上的，所以统称为常规（传统）控制。它们为了控制必须建模，但许多实际系统的高维性及系统信息的模糊性、不确定性、偶然性和不完全性给基于数学模型的传统控制理论以巨大的挑战。是否可以改变一下思路，不完全以控制对象为研究主体，而以控制器为研究对象；是否可以用人工智能的逻辑推理、启发式知识、专家系统解决难于建立数学模型的问题呢？智能控制的出现正源于这一思想。1967年Leondes 和Mendel 首次正式使用“智能控制”一词，1971 年傅京孙教授指出，为了解决控制问题，用严格的数学方法研究新的工具来对复杂的“环境2对象”模型进行建模和识别以实现最优控制，或者用人工智能的思想建立对不能精确定义的环境和任务的控制设计方法，这两者都值得试一试，而重要的是把两种途径密切结合起来协调的进行研究。沿着这一思想出发，现代控制理论将微分几何、微分代数、数学分析与逻辑推理、启发式知识建立和发展了智能控制理论相结合从而形成第三代控制理论大系统理论和智能控制理论。

二、Matlab工程软件

1．Matlab起源。早在70年代中期，Matlab的开发者美国人Clever Moler及其同事在美国国家科学基金的资助下研究开发调用LinPack和EisPack的FORTRAN子程序。到70年代后期，Clever Mloer教授利用业余时间为学生编写能够方便调用LinPack和EisPack的程序。Clever Mloer给这个接口程序取名为Matlab，这是从Matrix（矩阵）、Laboratory（实验室）各取前三个字母组成的，意思是“矩阵实验室”。

2．Matlab的特点与功能。Matlab自从1984年由MathWork公司推向市场以来，经历十几年的发展和竞争，现在逐步风靡世界，可靠的数值和符号运算能力、简单易学的程序语言、强大的图形和可视化的功能以及为数众多的运用工具宝石Matlab区别与其他科技应用软件的显著特点。其相关的功能如下：（1）数值和符号计算功能。Matlab的数值计算功能包括：矩阵的创建和保存；数值矩阵代数、乘方运算和分解；数组运算；矩阵操作；多项式和有理分式运算；数据统计分析、差分和数组导数；用于求积分、优化和微分方程的数组解的功能函数等。（2）Matlab语言。除了指令行操作的直接交互使用方式外，Matlab作为高级应用软件有它自己的编程语言。Matlab的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的习惯形式十分相似，简单易学。完全不需要对矩阵的乘法和求逆进行烦琐的编程。因此用Matlab求解问题比C语言、FORTRAN语言要简便的多。与其它高级语言的关系仿佛高级语言与汇编语言的关系一样，尽管它的执行效率比其它的高级语言低但是其编程效率、程序的可读性，可移植性要远高于它们。（3）图形和可视化功能。图形和可视化功能是现代应用软件发展的主要方向，也是前后版本间的最大差异之一。利用可以轻而易举地绘制二维、三维曲线，三维曲面，并可进行图形和坐标的标识、坐标控制、图形的迭绘、视角和光照设计、色彩精细控制等等。另外还可以非常方便地完成动画的绘制工作。Matlab还提供了对图形对象（Graph object）和图形句柄（Graph Handle）进行操作的“底层（low level）”指令，使用户可以随心所欲地对图形进行各种操作，为用户在图形表现和可视化方面开拓了一个广阔的、没有丝毫束缚的空间。

自动控制理论论文:基于CDIO教育理念的自动控制理论精品课教学改革研究与实践

[摘要]CDIO，即构思(conceive)、设计(design)、实施(implement)、运作(operate)，它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，让学生以主动的、实践的、课程之间有机联系的方式学习工程。本文选用自动化专业的一门主干课“自动控制理论”为研究对象，运用CDIO教育理念对该课程的教与学进行探讨和实践，形成了以学生为主的“活跃课堂、积极实践、学术探讨、项目研究、网络助学”的教学模式，经过5年的教学实践，取得了很好的教学效果和教改成绩，使学生在实际动手能力、独立创新能力、团队合作能力方面有所提高，为创新人才成长搭建了宽广舞台。

[关键词]CDIO；工程教育；自动控制理论；教育理念

1　研究背景

CDIO工程教育培养模式是由教师简洁明了地介绍要学的相关概念后，将学生分成小组，每个小组5～6人。各个小组自己设计实验方案、确定操作流程、选择器材，分工合作完成实验。通过分析实验结果，学生提出其中存在的问题，然后教师开始剖析概念、讲解原理，并和学生一起探讨。该模式可以培养学生分析问题、解决问题的能力，同时能够增强学生的自学能力、沟通协调能力、团队合作能力以及大系统的运作能力并最大地发挥学生的积极性和创造I生。自动控制理论是指导人们在一定工程背景下实现对复杂系统设计与分析的方法论，理论性很强，而CDIO工程教育模式的精髓——CDIO代表的构思、设计、实现和运作正是自动控制理论思想的具体体现，它以产品研发到产品运行的生命周期为载体，旨在培养学生的工程能力，是一种新的高等工科教育模式。它包括个人的工程科学能力和技术知识能力、终生学习能力、团队交流能力和大系统协调等方面的能力。显然，CDIO的教学目标与应用型高校本科专业的培养目标是一致的，即培养理论与实践相结合、工程技术与市场需求相结合的高级专门人才。以人才培养为目标，以教学改革为指导，以教材创新为核心，以科学研究为基础，对自动控制理论课程进行改革，以适应国内快速发展的工控领域对自动化人才的要求。

2　教学理念的转变

2.1　教学模式改革

“培养什么样的人才、如何培养人才”始终是高等教育的基本问题，“教什么、怎么教，学什么、如何学”始终是教学过程中的一对基本矛盾。很多教师认为“教什么”最重要，至于“怎么教”、“怎么学”全在个人，不重视教学方法的研究，习惯于个人传统方式的延续。认为“怎么教”是教师的事情，“怎么学”是学生的事情，“教”与“学”分离，对教师主导、学生主体、师生互动交流认识不足；对教学大纲的把握、对教学目标的实现认识不足，认为教材、讲义、网上资料师生可以自由使用，殊不知，这是教师不负责任、偷工减料的表现；对课程的规律性与学习能力培养的重要性认识不足，有的教师过分强调讲课面面俱到，“填鸭式”教学方法反而贻误了学生创造思维的训练和培养。为此，提出如下理念。

1)学生的主体性与教师的主导性融合。教师视每次授课为一场表演，既是演员又是导演，学生是观众。这样教师就要在如何演的精彩、如何引人入胜上下功夫，教学过程中教师主导活动和学生主体活动不断融合实现动态转换，随着知识的潜移默化，学生的学习活动自主性逐渐扩大，教师的传教活动制约性逐渐缩小，最后转化为学生能够完全自主学习，真正成为学习的主人。

2)学习的开放性与教学的关键点融合。信息时代提供了众多的知识获取途径，课堂和教师已不再是获得知识的唯一渠道，应该充分利用网络、名师、资料、实验、学科、专业等优质资源环境与学术氛围，把学习的场所从课堂扩展到大型实验室、图书馆、讲坛等。自主研学、拓展训练、思维创造，为学生知识创造和能力建构拓展了更加宽松的环境，这是当前教学模式改革的核心。强化自主性、综合性、设计性实验，重视工程实践、课程设计、项目训练以及大学生生产实习；将学生个体的学习扩展到小组学习、团队学习等合作学习的形式；着力提高各种课外学习活动的覆盖面和参与面，通过研究小组、讨论班、报告会、俱乐部、沙龙、社团等各种载体，让每一个学生都有锻炼施展多方面能力和才华的舞台。教学的关键点是教给学生一种思考问题的思维方法，有些知识问题的具体细节，忘记了可以查书，但思考问题的方式，一旦领悟并加以应用后，具备的是解决更多新问题、领悟更多新知识的能力，这才是教与学的关键。充分利用互联网拓展学生网上学习、教师网上答疑、学生网上作业、教师网上批改的新途径。

3)教学评价的综合性与透明性融合。既然讲课就是表演，演员演得如何观众最有发言权，采取学生匿名网上评议制，对每位授课教师按照统一的评价指标给予教学质量评价，教师可以随时查阅学生评价做到有则改之无则加勉，这种方式有效提高了教师的教研水平。

4)学生成绩评定的多样性与灵滑性融合。采取平时考核(20％)＋实验考核(10％)＋学期考核(70％)作为学生的最终成绩，这样充分调动了学生学习的自主性与积极性，避免了一考定终生和逃课现象。

2.2　明确精品课程的内涵

精品课程是指具有一流教师队伍、一流教学内容、一流教学方法、一流教材、一流教学管理等特点的示范性课程，省级精品课《自动控制理论》是由自动化系负责开设的院级平台课，是一门理论性和实践性都很强的课程，理论比较枯燥，难以理解，其特点是概念多、抽象，理论分析和数学计算比重大，在课程讲授过程中，若不注重教学模式的改进，就会让学生感觉似乎在学一门“数学”课，跳不出抽象的理论框架，不知道如何把该课程的理论知识应用于工程实践中，那么，这门课程的讲授就是失败的。在课程教学改革实践中，引入CDIO模式，以小型控制课题为导向，引导学生自觉加深理论学习，依次完成控制系统建模、控制器设计、仿真实现，培养了学生的创新能力、动手能力及课题研究能力，激发了学生的学习兴趣。因此，教师要有目的、有计划、有步骤地结合教学的具体内容对学生进行思维方式的引导、指导和训练，使学生理解并掌握诸如典型化、线性化等处理方法和意义，体会到数学作为一种工具处理工程问题的重要性和趣味性，使学生变被动学为主动学，提高学习积极性，既巩固了知识体系，又树立起工程思想。

3　基于CDIO教育理念的教学改革

探索了CDIO理念下的以研究型学习，以实际的物理对象为背景进行控制系统建模、控制器设计、仿真实现的教学模式，并相应地对教学内容、教学手段、考试方式进行了配套改革。

3.1　教材建设

教材是教学理念的载体，是课程体系改革的核心。为了充分贯彻课程改革建设，发挥团队的特色，自2003年开始狠抓教材建设，相继出版了两部理论教材：《现代控制理论》(中国标准出版社2003)、《自动控制原理》(21世纪高等院校优秀教材，国防工业出版社2004)；两部与之配套的书籍：《自动控制理论学习指导》(大连理工大学出版社2004)，《自动控制理论实验及综合系统设计》(华中科技大学出版社2008)；一部用于指导学生进行计算机辅助设计的《控制系统数字仿真及MAT-LAB语言》(电子工业出版社2009)。形成了理论教学、实验教学、学习指导、CAD实现的系列特色教材，为知识的有效传播奠定了基础。

3.2　良好的开端是成功的关键——绪论的重要性

在绪论中重点介绍自动控制理论的发展史，研究的对象、方法及主要内容，自动控制理论的特点和发展趋势以及在工业生产、航空、航天等领域所起的重要作用。为了增强学生学习该课程的兴趣，课程中利用多媒体技术制作了多个视频资料，包括阿波罗登月、我国的神舟七号载人航天飞行、美国NASA的月球车、国际机器人大赛以及人在大脑支配下的行为过程等，并简要介绍了这些系统中用到的自动控制理论知识、课程的重点及学习方法，学生由此对课程产生了浓厚的兴趣及强烈的求知欲望，促进了学生从“要我学”到“我要学”的转变。

3.3　强化实践教学，提升工程实践能力

围绕工程实践和创新精神培养这一目标，实践教学构建三层体系，突出综合性、设计性、研究性训练，加强课内实验、课程设计、毕业设计等实践环节的有序衔接。提出以学生为主的“活跃课堂、积极实践、学术探讨、项目研究、网络助学”的教学模式，进行了基于“学术探讨、项目研究”的教学改革。将教学分成三个阶段：课堂教学、课程设计、毕业设计。精心设计了一整套与之对应的三级项目体系：以随堂进行的项目为三级项目，促进学生对专业核心课程的学习；以专业课程设计为二级项目，培养学生构建并运用知识模块的能力；以毕业设计为一级项目，培养学生用专业知识开发设计复杂系统和产品的能力。为探索CDIO教学模式，将授课教师从科研项目中提炼出来的基于团队的三级项目与课程实验教学有机融合，让学生在课堂上学习理论知识，课外进行三级项目的研究，使学生自主建立起以确定项目方案、设计和仿真为主要内容的学习体系。三级项目的最后，要求学生以撰写项目报告和制作PPT的形式进行项目研究的汇报，改变了以往以课后习题来巩固学生所学理论知识，类似于“纸上谈兵”的学习方式。结合不同章节内容的特点，教学骨干自行开发了所有课程的多媒体助学课件，如针对根轨迹绘制制作了全动画多媒体课件，受到学生的普遍欢迎。这种教学模式为创新人才成长提供了自主性、研究性、多样性的宽广舞台，促进了学生创新实践能力和综合素质的全面提升。燕山大学学生先后在全国“飞思卡尔杯”智能车大赛、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、“挑战杯”创业计划大赛以及全国电子设计竞赛等许多重要赛事中均取得了十分优异的成绩。

3.4　加强网络教学平台与资源共享建设

为培养学生自学能力，自行研发了网络综合教学平台，提供了15个子系统供师生使用，形成了一个集教学、学习、实验、设计、考研辅导、信息交流于一体的自动控制原理在线教学的专业网站，实现了教育资源共享。以图文并茂的形式提供丰富动感的教学内容，利于突出重点、突破难点，优化课堂结构，创造良好的网络教学环境，提供教学讲义、教学视频、课后练习测试、同步训练、在线答疑、提交作业、考研专题等多个栏目，为学生提供了丰富的教学资源。

3.5　开展研究型学习

教学中引入的工程实例倒立摆装置是一个复杂的、不稳定的非线性系统，是进行控制理论教学及开展各种控制实验的理想实验平台。通过对倒立摆的控制，检验新的控制方法是否有较强的处理非线性和不稳定性问题的能力。同时，其控制方法在军工、航天、机器人和一般工业过程领域中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等。教学中，将倒立摆作为工程实例贯穿整个课程，在各阶段理论教学后，完成倒立摆的系统建模、分析及控制器设计等，提高学生的工程应用能力及学以致用的信心。

研究型学习分三个阶段：(1)引导学生充分利用图书馆和网络，搜集相关资料；(2)学生分成研究小组，在6周的时间内，跟随课程的学习进度依次完成被控对象的建模和性能分析，并完成控制器的设计，然后用Matlab/Simulink建立控制系统的仿真模型，对系统的控制性能进行仿真分析；(3)要求学生以组为单位撰写研究报告，并以小组的形式进行研究汇报，汇报中要求小组成员全员参加，教师和其他组学生同时对研究情况进行打分评价。通过汇报，不仅可以活跃研究氛围，加强各组学生之间的交流，开阔学生的视野，还可以检验每个学生在课题研究中的参与程度。

最后，可以在一、二、三级倒立摆实验平台上，实现学生自行设计的系统验证。在课堂上，教师们也把工程项目的部分内容作为教学案例介绍给学生，注重知识讲授与项目实践有机结合。在课下，教师们带领学生积极参与科研项目研发或专业竞赛活动，培养了一批专业基础扎实、动手能力强的优秀学生。利用好现有的实验室和实习基地，探索出了一条行之有效的工程教育模式，使学生在实际动手能力、独立创新能力、团队合作能力方面有所提高。

4　结束语

教学实践表明，基于CDIO教育理念的教学模式可以大大提高学生的学习积极性、主动性，促进学生从“要我学”到“我要学”的转变，有利于培养学生的动手能力、综合应用能力和创新能力。学生反映非常喜欢这种教学模式，并提出了很多很好的建议，加强了学生和教师之间的沟通与交流，起到了教学相长的效果。

作为一种工程教育教学模式，CDIO具有先进的理念和很好的借鉴作用。将这种工程教育思想贯穿于自动化专业人才培养方案改革、课程体系建设、师资队伍建设、实践教学建设等各个方面，构建理论与实践相结合，技术与市场相结合的应用型人才培养体系，为国家、地方培养合格的高级专门人才，是教育工作者的不懈追求。