基于控制系統分析的自動控制理論課程建設及實踐

[摘要]自動控制理論課是電類專業的基礎課程，在課程設置和學生培養中占有重要地位。利用控制理論基本思想，指導該課程的建設過程，分析了教學過程的系統構成特性、制約因素及相應的解決方法。通過多年的教學實踐，取得了較好的教學效果。

[關鍵詞]自動控制理論；系統分析；反饋；課程建設

[中圖分類號]G642.0 [文獻標識碼]A [文章編號]1005-4634(2012)03-0047-03

0 引言

深化教學改革，提高教學質量，強化素質教育是當前高等學校教改的重要主題，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“傳道、授業、解惑”職責的教師都希望收到事半功倍的效果。在專業課自動控制理論多年的教學工作中，筆者也在不斷理解社會發展變革對其的新要求，調整具體的授課思路與方法，摸索新的教學策略。本文將控制理論恰當地應用到自動控制理論教學之中，采取反饋控制手段，在教學實踐中，有效地提高教學質量。

1 課程特點及控制系統結構

自動控制理論課程是電氣類、機電類專業的一門理論性很強的專業基礎課，在學生培養過程中占有重要的地位，一般都在大學三年級第一學期或第二學期開設。這門課有其自身的特點，如知識系統連接較為緊密、計算性強、作圖方法多；課程中知識點多且抽象，而且對數學基礎要求較高，涉及到的數學知識包括高等數學、線性代數、積分變換、復變函數等；與工程實際聯系較為緊密。在教學中必須要遵循由淺入深、從易到難的規律，對先修課程應有一定程度的理解，并在此基礎上以系統的、整體的觀念實施教學。

控制系統按照有無反饋可分為開環系統和閉環系統。開環系統輸出量對系統的控制量不產生影響，即信息單向流動；而閉環系統中，不僅存在著輸入對輸出的前向控制作用，輸出同時對輸入產生反向的影響，即在系統中，信息形成雙向閉合回路。反饋控制是一切閉合系統自動控制的精要所在，任何系統只有根據反饋信息才能比較、糾正和調整它發出的控制量，從而實現對被控對象的有效控制，達到預期的目的。

在教學過程中，教師與學生之間的“教”與“學”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。而一直強調的互動與調研正是信息的雙向交流，也就是反饋控制的應用。如何正確地應用反饋控制理論，合理地設置反饋環節和控制環節，以提高課堂效率、提升教學質量，正是要討論的問題。

2 課程建設中的系統結構分析與對策

下面結合控制系統的一般分析與設計過程和自動控制理論的教學實踐來分析教學的各個環節，運用控制理論制定對策，指導教學過程。

2.1 被控對象分析和目標制定

控制系統設計首先是要掌握被控對象的特點，抓住主要矛盾，進而制定明確而又實際的控制目標。過低的目標失去了控制調節的意義，過高的目標又會增加控制成本。作為授課教師，面對的研究對象是自動控制理論課程和學生(稱為基本被控對象)，目標是合理地利用課上及課余時間讓學生在短時間內掌握基礎知識，提高應用能力；而作為教學管理者，其研究對象是包括教師和基本控制對象在內的廣義被控對象，目標是排除多方面干擾的影響，適應社會發展的需要，合理利用教學資源，培養具有較強競爭力的學生，同時打造具有鮮明特色的專業課程。

由于課程開設在公共基礎課之后，大多學生在先修課程中習慣了定量化、精確化的分析方法，而疏于用物理概念進行系統定性分析，特別是如何針對實際系統存在的問題，采取相應的分析和設計更是他們在學習方法上的薄弱之處。自動控制理論課程定性分析與圖示解釋較多，在傳統的教學過程中，一般都是按照教材的自然順序按部就班地進行講解，并且課堂授課中，教師需在黑板上做大量的數學分析推導，繪制大量的曲線，因此課堂教學往往是索然無味的公式推導、定理證明和手工繪圖。在實驗教學環節中驗證型實驗多，設計型實驗少，甚至存在“一鍵式”實驗，這樣難以鍛煉學生的設計能力，對于學生自學能力的培養、設計能力的開發都存在著極大的阻礙作用。

對授課具體內容而言，自動控制理論主要研究的負反饋系統，包括系統的分析和設計兩大方面，理論知識學習的目的是系統設計，而系統分析是設計的基礎。分析與設計都是圍繞穩定性、快速性和準確性三方面展開。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、復域、頻域等不同的角度分析同一個控制系統，但最終歸結于時域性能分析。

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，根據課程、學生及教師的特點，抓住了課程的關鍵，用統一的思想將課程內容融會貫通，教、學、輔聯成一體，有助于學生加深對學習目的的認識，掌握知識體系，提高學習效率，同時也有利于管理者從整體上把握課程建設。這正是控制理論系繞性觀點的體現。

2.2 反饋環節設置

反饋是控制理論的基礎和精要所在，任何系統只有通過反饋信息，與預先設計的目標進行比較，利用二者形成的偏差不斷調整，才能產生有效的控制，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系統，都不可能實現預期控制。

在教學實踐中，反饋監測點的設置和反饋信息的提取與處理應遵循點面結合的原則，即既要考慮與多個控制目標(學生培養、教師隊伍、課程建設)相關的評價指標的設計，又要兼顧評價、反饋量提取的可行性，同時要重點關注制約控制效果的關鍵點，并在反饋信息綜合中加以不同權重。對于反饋信息的獲取主要通過3個方面，如圖1所示，并形成三環反饋控制，及時調整教學中出現的各種偏頗。

內環反饋信息來源于課堂教學。教師在充分備課、清晰講解的基礎上，加強和學生的互動與交流，收集學生對該課程的反饋信息，及時對課程教學進行調整。課堂學生反應最能直接地體現教學效果，可以通過觀察學生的目光、給出適當的提問、采取啟發式與聯想式講解、提供一定的討論和練習等不同方式來收集學生的反饋信息。根據控制理論，內環反饋控制對于系統的調節最為直接，因此授課教師應采取多種手段，激發學生的學習興趣和參與意識，給學生創造一個相對輕松的心理環境，以便更多地獲取真實反饋信息，使課堂信息由單向傳遞變成雙向傳遞，形成閉環調節，提高課堂效率。中環反饋信息來源于學生定期的網上評教和教學督導意見。發揮網絡平臺作用，通過設置學生信息反饋平臺和網上評教系統，鼓勵學生將自己在學習過程中遇到的問題、對各個教學環節的意見和建議反饋給教研室或者教師本人。同時結合教學督導的意見，對授課過程加以優化。外環反饋信息來源于最終的考試成績以及課程結束后的教學研討。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，可以發現學生在學習該課程中存在的共性問題；通過教學形勢分析和教學方法研討可以掌握社會知識需求，同時達到取長補短的目的。

2.3 干擾分析

控制系統中，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分析的一個重要內容。在控制理論中通?？梢圆捎妙A測和補償的方法削弱其對輸出的影響。在這里，需首先分析干擾及不確定因素的產生。在該系統中，人(教師、學生、管理者)是主要的系統組成部分，個人的差異性，必然導致信息傳遞過程中的不確定性。如，學生基礎知識、教師知識結構與研究興趣、反饋信息的客觀表現、管理決策的執行差異等等都是客觀存在且隨機變化的。應重點關注整體的不確定，并做好相應的“補償”準備。首先了解學生預備知識的掌握情況，是否需要補償。課程中涉及到的數學知識很多，如積分變換、拉普拉斯變換、復變函數等等，但所需知識點相對較孤立，因此可以利用較短時間進行“突擊培訓”。實踐證明，適當的“基礎知識補償法”對于課程重點、難點的講解具有良好的輔助作用，教師和學生都減輕了壓力；其次是課堂干擾補償。課堂上的互動是必要的，既可以調節課堂氣氛，又有利于信息的雙向溝通。但不能以點帶面，讓片面的反饋信息占據主導地位。課堂上提問式講解，教師總是希望得到正確的回應，但不可將個別回應作為學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”，注意觀察大部分學生的反應和課堂情緒，排除干擾；第三是排除評價干擾。來自學生、督導、同行等方面的評價是系統中重要的反饋信息，為避免個別的不公正評價，需設置信息過濾機制，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處理。當然這個過程應以學生反饋信息為主，其他方面反饋為輔；最后是執行干擾補償。在一個完整的教學計劃執行過程中，教師是策劃者和執行者。但教師水平、教學經驗甚至責任心的差異，都可視為一種干擾，都可能影響教學效果。因此適當的教學示范課、教學基本功訓練、定期的教研組討論、教學方法交流都是必要的補償方法。

2.4 控制調節制定

控制調節主要考慮兩方面：一是教師的作用，二是教學管理者的作用。

教師方面。強調信息的雙向流動，要達到學生掌握教師傳授的知識、方法這一目的，因此教師應該成為駕馭課堂、掌控知識的角色。授課教師要精心設計每堂課，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，而不是讓其產生這僅僅是公式推導、純粹理論堆積的錯覺，進而刺激學生求知、探索的興趣和激情。鮮活生動的應用實例，具體的視頻展示是沖擊和震撼學生這種發散思維的最好手段。需要摒棄傳統教學中發展歷史的簡單羅列，取而代之的是聲情并茂的圖文、視頻展示，既融入了大量專業信息，又激發學生的興趣，取得了事半功倍的效果。此外，通過適當的教學經驗交流、教學方法討論，使每位任課教師在熟知教學內容的基礎上，培養教師運用適當方法，調控課堂氣氛，激發學生熱情的課堂應變能力。

管理者方面。教學管理者除關心教學效果外，更要關心如何打造一門精品課程，如何培養一支精干隊伍。因此其調控行為相對要宏觀，在控制理論課程建設過程中，主要從以下幾方面著手調控。

1)教學實驗環境改善。作為重要輔助手段的實驗教學在課程建設中作用不容忽視，除了更新實驗設備之外，更注重實驗內容的更新。通過增加開放性實驗、設計型實驗、自主開發型實驗，開闊學生視野，鍛煉實踐能力。

2)教學計劃適時調整。盡管目前學時壓縮是個大的趨勢，控制理論課程同樣受到影響，但對于基礎內容、經典方法的學時不能壓縮。通過更新教學內容、編寫適合自己專業的特色教材，合理使用多媒體教學手段，使教師和學生在教與學的過程中都做到得心應手。

3)建立一定的獎懲激勵機制。結合學生評教、教學督導及教研室評價，對課程綜合打分，并對教學成績突出的教師給予一定的物質和精神獎勵措施，激發教師的教學投入熱情，營造積極向上的競爭氣氛。

3 結束語

在多年自動控制理論教學實踐中，筆者對“控制理論”學以致用，在充分分析課程特點、考察教學過程的基礎上，利用控制理論基本思想，發揮專業優勢，分別針對目標制定、反饋設置、干擾抑制、控制手段等方面找到教學活動的對應環節，摸索出適合電類、機電類專業學生學習的教學方法。同時，對其他課程體系建設具有一定的借鑒作用。

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