唯物辩证法思想在自动控制理论教学中的应用
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摘 要 本文通过多年来的实际教学经验，分析了自动控制理论教学中普遍存在的一些问题，提出了把唯物辩证法思想应用于自动控制理论课堂教学的初步教学理念，对于提高本门课程的整体教学质量具有重要的借鉴作用。
关键词 唯物辩证法思想 自动控制理论 生命课堂
中图分类号：G424文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2015.05.053
Application of Materialist Dialectics Thinking in
Automatic Control Theory Teaching
LIU Xinyu， GU Bo
（North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou， He"nan 450045）
Abstract 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 improve the overall quality of teaching this course have important reference.
Key words Materialist Dialectics Thinking; Automatic Control Theory; life class
0 引言
唯物辩证法是一门研究自然界、人类社会以及人类思维领域发展最一般规律的科学，它是辩证法思想发展的高级形态，是马克思主义哲学的重要组成部分。①唯物辩证法根植于实践、由近代思维方式发展而来，是资政育人、治学求是的法宝，对于课堂教学具有重要的指导意义。
自动控制理论是一门研究自动控制系统的分析和设计的方法，并用于指导工程实践的科学。它是控制理论与控制工程学科的一门非常重要的专业基础课，由于其涉及的知识范围广、内容繁多、概念抽象、理论性较强，容易使学生陷入无从下手、机械接受的窘境，从而产生消极、厌烦情绪。因此，在自动控制理论教学过程中要自觉运用唯物辩证法思想来指导课堂教学，不断完善教学方法和教学手段，构建起和谐高效的生命课堂，提高课程整体教学质量。
1 要用整体与部分的观点认识自动控制系统的组成
唯物辩证法认为，整体由互相联系、互相作用的若干部分按一定方式组成的有机统一体。没有部分，无所谓整体。整体依赖于部分，但并不是各个要素分别存在时的性质和功能的简单叠加，整体可能大于或小于部分之和;部分也因与整体的其他部分相互作用而存在，脱离整体的部分不再是整体意义下的部分。
当外施激励作用于一个具体的控制系统后，系统表现出区别于其他控制系统的一个整体的响应特征。但要准确把握这一响应本质，又必须对组成系统的每个具体部分的响应进行深入的分析研究。比如在进行控制系统的设计时，我们首先要弄清楚所设计的控制系统是由哪些特定的环节组成。一般来讲，一个基本的自动控制系统的组成如图1所示，它是由给定元件、控制器、执行机构、被控对象、
图1 自动控制系统的基本组成
检测装置等五部分组成。自动控制系统是利用外加的设备或装置，在无人直接参与的情况下，使设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照期望规律或预定程序运行的控制系统。②自动控制系统的作用与组成其本身的各个基本环节是密不可分的，其中的给定元件是给出系统期望的被控量数值，给定值的准确与否直接影响到系统被控量输出是否符合实际控制的要求。控制器是整个控制系统的大脑，它接受来自给定元件和检测装置的偏差信号，根据该信号的大小和变化方向，输出相应的控制信号，通过执行机构对被控对象进行控制。自动控制系统设计的主要任务就是设计出符合工程需要的控制器，使系统的动态性能和稳态性能符合实际要求。执行机构的作用在于执行控制器的命令，直接对被控对象进行操作，执行机构可以是电动型、液压型或气动型，具体选用要根据工程的实际需求。被控对象是控制器进行控制和操作的对象，它按照控制器的要求输出相应的控制量，使系统的偏差变小甚至可以消除偏差。检测装置用来测量被控量的实际值，经适当的信号处理，最终转换成与被控量有一定函数关系的且与输入信号是同一物理量的信号，二者的偏差信号作为控制器的输入。一个自动控制系统的精度很大程度上依赖于检测装置的精确度，所以在设计控制系统时，检测装置的选取至关重要。因此，在实际课题教学过程中，一定要把握好系统的整体性和其组成环节之间的关系，从整体的角度认识控制系统的性能，从部分的角度分析各个环节在系统中所起到的作用，这样才能牢牢抓住自动控制系统的本质特征。
2 要用对立统一的观点引导学生分析和设计自动控制系统
在自动控制理论中，有着许多看似矛盾，但实际上具有统一性的概念，比如开环控制与闭环控制、动态性能与静态性能、前馈与反馈、定性与定量等问题，都可以上升到对立统一的高度来认识。使学生了解这些概念之间的区别与联系，把握问题的实质。
下面以自动控制系统校正为例，首先要对系统进行定性分析，这里可以利用根轨迹对系统的稳定性进行分析，方法是通过观察系统的根轨迹是否越过虚轴进入到复平面的右半平面，这显然是一种定性的分析方法。当然还有许多对系统进行定性分析的工具，比如李雅普诺夫方法、伯德图等。这些方法通过分析对象过去和现在的延续状况及最新的反馈信息，对被控对象的性质、特点、发展变化规律做出判断，在保证系统稳定性的前提下，要进一步对系统的动态性能（包括系统的上升时间、调节时间、超调量等）进行分析，看当前的系统能否满足新的控制指标要求，这就需要对原系统进行定量分析，计算出原系统的各项动态性能指标的具体数值，在此基础上按照新的控制指标来设计校正装置对系统的动静态性能进行校正。这里需要注意的是，在进行系统校正的时候，不要片面强调系统的稳定性或动态性能，因为二者存在相互关联相互制约的对立统一关系。如果片面强调系统的稳定性，有可能导致系统的动态性能变差，而如果片面强调系统的动态性能，则有可能破坏系统的稳定性。
通过以上分析，使我们认识到，在自动控制系统的性能分析中，一定利用好对立统一的观点，做到具体问题具体分析。因为任何一个被控对象都是矛盾的统一体，只有协调好矛盾的两个方面，使其和谐共生，才能真正把握被控对象的本质特征，进一步掌握被控对象的运动规律，从而使所设计的控制系统的性能达到最优。
3 要用否定之否定的观点不断更新自动控制理论的教学内容
否定之否定规律，揭示了事物由肯定到否定，再到否定之否定的发展过程，它是事物不断完善自己、发展自己的一个有规律的过程，在这个过程中事物的发展经历了两次否定，每一次否定都不是简单的抛弃，而是把前阶段发展的一切成果中有用的成分保留了下来。因此，在事物发展的否定之否定即新的肯定阶段，并不是简单地再现原事物，简单地回到原来的出发点，而是形式的回复、内容的发展，是一个前进和上升的发展过程。
自动控制理论的发展同样经历了这样一个否定之否定的发展过程，在自动控制理论发展的初期，人对控制系统的建模分析往往是根据相关的物理定律或化学定理，建立系统的微分方程，再通过求解微分方程得到具体的解，最后对求出的解进行分析来评价控制系统的性能。但是，随着自动控制系统变得越来越复杂，微分方程的求解变得越来越困难，为此人们又引进了传递函数、频率特性等概念，把复杂的控制问题从时域变换到复数域和频域来讨论，极大方便了对控制系统性能的分析。随着计算机技术的快速发展，使得原来在时域内难以解决的问题变得简单起来，于是在复数域或频率域解决的问题又重新转移到时域内完成，比如控制理论中的状态空间法，就是一种直接在时域内进行求解，对系统进行分析的方法。另外，自动控制系统从原始的单输入单输出系统发展到现在的多输入多输出系统，其中的有些内容也逐渐变得陈旧，现在这些内容在工程设计中很少用到。比如根轨迹、等M圆、等N圆等内容，取而代之的是更加先进的控制方法和手段。③自动控制理论这些变化发展充分体现了否定之否定的历史发展规律。目前，在自动控制理论课堂教学中亟需更新和完善的内容主要包括：
3.1 理论教学内容
在自动控制理论教学中，对于阶次在三阶以上的控制系统的分析和建模这部分内容，建议适当略讲或者不讲，因为这样的控制系统没有太大的实际工程应用价值。对于系统频域特性的内容，其中的等M圆、等N圆、尼克尔斯曲线等图解方法，由于其本身不容易绘制，并且在实际工程设计中基本不用，所以建议在课堂教学中，对这些内容要根据实际情况做适当的删减。对于线性系统校正方法，重点掌握串联校正方法，反馈校正和复合校正作为补偿教学内容即可。对于非线性系统，重点讲解的内容是相平面和描述函数，特别是相平面法，它是后续研究滑模变结构控制的先修知识，所以建议在讲授这部分内容时，穿插讲解滑模控制的部分内容，这样更易于学生的理解和掌握。对于线性离散系统，由于微型计算机的广泛应用，要适当增加和扩展这一部分的课堂讲授内容，尤其是数字控制器设计这一部分内容，应该把它作为重点和难点知识深入讲解。
3.2 实践教学内容
为了更好地配合理论教学内容，加深学生对所学知识的理解，在实践教学内容上要利用好两个手段：其一是仿真实验，充分利用Matlab这一进行虚拟实验的有效工具，对学过的理论知识进行验证或复杂系统建模;④其二是实验课，现在的自动控制理论实验台大多是根据控制原理，采用控制板、电阻、电容等元件组成的硬件单元平台，可以灵活地组成复杂程度各异的控制系统。在进行实践教学内容时，应该首先利用Matlab软件平台对所研究的控制系统进行建模和分析，然后在实验室的硬件平台上再用硬件搭建控制系统模型，并与Matlab软件平台所取得的控制效果进行对比分析，找出理想控制模型和实际硬件控制模型的联系及区别。
以上情况说明，在自动控制理论的具体教学过程中要充分利用否定之否定的发展规律，要根据时代的发展，及时更新教学内容，实践新的教学理念、调整具体的授课思路与方法，提高自动控制理论的整体教学质量。
4 要用理论联系实际的观点提高自动控制理论的课堂教学效果
理论联系实际是人类认识或学习活动的普遍规律之一，它的要点一是要用理论分析实际，二是要用实际来验证理论的正确性。⑤课堂教学必须坚持理论与实际的结合与统一，使学生从理论和实际的结合中理解和掌握知识，培养学生运用知识解决实际问题的能力。
自动控制理论这门课程的内容涉及知识面广，信息量大，对所涉及的先修数学知识（微积分、复变函数、矩阵论等）的要求较高，如果在教学过程中只注重一般的理论讲述，缺乏工程和物理概念的实践，就容易使学生觉得晦涩难懂，从而产生厌学的情绪，影响学习兴趣和学习效果。⑥因此，实践教学一定紧密配合理论教学，在完成某一部分的理论教学内容后，应立即进行相关的实验或仿真，通过相关仿真软件（Matlab、Labview等）或在实验室的实验平台上搭建控制仿真模型，对已经学到的理论分析结果用实验的方法形象直观地表达出来，加强学生对物理概念的理解，从而将抽象的数学模型与实际系统参数联系起来，提高学生对抽象问题直观化的能力。在整个理论教学内容结束后，还应及时安排课程设计，要求学生会运用已学过的理论与实践知识，针对一个实际的控制对象，进行系统分析和设计，使系统达到预定的性能指标。经过这样的综合性实践训练，一方面可以使学生更好地掌握理论教学内容，另一方面也提高的学生的实际动手能力及学习的兴趣、效率。另外，在实践教学方面也可利用多方面的资源，在高校或教学系统内部，每年都有许多大学生实践项目，譬如大学生实验创新项目、大学生数学建模大赛等，这些项目给学生提供了动手实践的平台。任课教师可以组织学生积极申报，并给予认真指导。从这些具体的实践项目中体会理论联系实际的过程，加强对所学理论知识的理解和掌握。另外还可以充分利用现成的网络资源，针对教师自己承担的实际项目，组成自动控制理论学习兴趣小组Q群，每个小组单独对项目中的实际问题进行分析和建模， 然后在Q群中进行集体的讨论，最后选择出适合实际工程需要的物理模型及其控制方法。通过讨论和分析，培养了学生分析问题和解决问题的实际能力，提高了他们的学习热情和学习效率。
5 结论
总之，唯物辩证法思想作为一种认识自然科学的强大武器，已被广泛应用于社会实践的各个方面。⑦任课教师要学会把这种思想贯穿于自动控制理论的课堂教学中，学会利用唯物辩证法思想，正确观察问题、思考问题和解决问题。因为这不单纯是哲学理论研究的问题，而是控制理论自身发展的需要。只有坚持唯物辩证法的思想，才能使自动控制理论的教学与时俱进，使理论与实践相结合，进一步提高整体教学质量。
基金项目：1、郑州市科技攻关项目（43204-522）;2、华北水利水电大学研究生核心课程资助项目
注释
① 李秀林.辩证唯物主义和历史唯物主义（第五版）[M].北京：中国人民大学出版社，2004.
② 胡寿松.自动控制原理（第六版）[M].北京：科学出版社，2013.
③ 龙祖强，刘灿.自动控制原理的教学方法探讨[J].科技视界，2013（17）.
④ Mitchell Waldrop， COMPLEXITY[M].科学出版社，1995.
⑤ 高放.科学社会主义的理论与实践（第五版）[M].北京：中国人民大学出版社，2008.
⑥ 罗孝曙.浅析自动控制原理的课程教学方法[J].钦州学院学报，2013.28（2）.
⑦ 吴光宗，戴桂康.现代科学技术革命与当代社会（修订本）[M].北京航空航天大学出版社，1995.4.