唯物辯證法思想在自動控制理論教學中的應(yīng)用

劉新宇 顧波

摘 要 本文通過多年來的實際教學經(jīng)驗，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(yīng)用于自動控制理論課堂教學的初步教學理念，對于提高本門課程的整體教學質(zhì)量具有重要的借鑒作用。

關(guān)鍵詞 唯物辯證法思想 自動控制理論 生命課堂

中圖分類號：G424 文獻標識碼：ADOI：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

唯物辯證法是一門研究自然界、人類社會以及人類思維領(lǐng)域發(fā)展最一般規(guī)律的科學，它是辯證法思想發(fā)展的高級形態(tài)，是馬克思主義哲學的重要組成部分。①唯物辯證法根植于實踐、由近代思維方式發(fā)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(dǎo)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(shè)計的方法，并用于指導(dǎo)工程實踐的科學。它是控制理論與控制工程學科的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)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、機械接受的窘境，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(dǎo)課堂教學，不斷完善教學方法和教學手段，構(gòu)建起和諧高效的生命課堂，提高課程整體教學質(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)系、互相作用的若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;部分也因與整體的其他部分相互作用而存在，脫離整體的部分不再是整體意義下的部分。

當外施激勵作用于一個具體的控制系統(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(yīng)特征。但要準確把握這一響應(yīng)本質(zhì)，又必須對組成系統(tǒng)的每個具體部分的響應(yīng)進行深入的分析研究。比如在進行控制系統(tǒng)的設(shè)計時，我們首先要弄清楚所設(shè)計的控制系統(tǒng)是由哪些特定的環(huán)節(jié)組成。一般來講，一個基本的自動控制系統(tǒng)的組成如圖1所示，它是由給定元件、控制器、執(zhí)行機構(gòu)、被控對象、

圖1 自動控制系統(tǒng)的基本組成

檢測裝置等五部分組成。自動控制系統(tǒng)是利用外加的設(shè)備或裝置，在無人直接參與的情況下，使設(shè)備或生產(chǎn)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(yù)定程序運行的控制系統(tǒng)。②自動控制系統(tǒng)的作用與組成其本身的各個基本環(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?？刂破魇钦麄€控制系統(tǒng)的大腦，它接受來自給定元件和檢測裝置的偏差信號，根據(jù)該信號的大小和變化方向，輸出相應(yīng)的控制信號，通過執(zhí)行機構(gòu)對被控對象進行控制。自動控制系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)就是設(shè)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(gòu)的作用在于執(zhí)行控制器的命令，直接對被控對象進行操作，執(zhí)行機構(gòu)可以是電動型、液壓型或氣動型，具體選用要根據(jù)工程的實際需求。被控對象是控制器進行控制和操作的對象，它按照控制器的要求輸出相應(yīng)的控制量，使系統(tǒng)的偏差變小甚至可以消除偏差。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(zhuǎn)換成與被控量有一定函數(shù)關(guān)系的且與輸入信號是同一物理量的信號，二者的偏差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精確度，所以在設(shè)計控制系統(tǒng)時，檢測裝置的選取至關(guān)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(guān)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(dǎo)學生分析和設(shè)計自動控制系統(tǒng)

在自動控制理論中，有著許多看似矛盾，但實際上具有統(tǒng)一性的概念，比如開環(huán)控制與閉環(huán)控制、動態(tài)性能與靜態(tài)性能、前饋與反饋、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。使學生了解這些概念之間的區(qū)別與聯(lián)系，把握問題的實質(zhì)。

下面以自動控制系統(tǒng)校正為例，首先要對系統(tǒng)進行定性分析，這里可以利用根軌跡對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行分析，方法是通過觀察系統(tǒng)的根軌跡是否越過虛軸進入到復(fù)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)進行定性分析的工具，比如李雅普諾夫方法、伯德圖等。這些方法通過分析對象過去和現(xiàn)在的延續(xù)狀況及最新的反饋信息，對被控對象的性質(zhì)、特點、發(fā)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、調(diào)節(jié)時間、超調(diào)量等）進行分析，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)進行定量分析，計算出原系統(tǒng)的各項動態(tài)性能指標的具體數(shù)值，在此基礎(chǔ)上按照新的控制指標來設(shè)計校正裝置對系統(tǒng)的動靜態(tài)性能進行校正。這里需要注意的是，在進行系統(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，因為二者存在相互關(guān)聯(lián)相互制約的對立統(tǒng)一關(guān)系。如果片面強調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有可能導(dǎo)致系統(tǒng)的動態(tài)性能變差，而如果片面強調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)性能，則有可能破壞系統(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，做到具體問題具體分析。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(shè)計的控制系統(tǒng)的性能達到最優(yōu)。

3 要用否定之否定的觀點不斷更新自動控制理論的教學內(nèi)容

否定之否定規(guī)律，揭示了事物由肯定到否定，再到否定之否定的發(fā)展過程，它是事物不斷完善自己、發(fā)展自己的一個有規(guī)律的過程，在這個過程中事物的發(fā)展經(jīng)歷了兩次否定，每一次否定都不是簡單的拋棄，而是把前階段發(fā)展的一切成果中有用的成分保留了下來。因此，在事物發(fā)展的否定之否定即新的肯定階段，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(fù)、內(nèi)容的發(fā)展，是一個前進和上升的發(fā)展過程。

自動控制理論的發(fā)展同樣經(jīng)歷了這樣一個否定之否定的發(fā)展過程，在自動控制理論發(fā)展的初期，人對控制系統(tǒng)的建模分析往往是根據(jù)相關(guān)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具體的解，最后對求出的解進行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(fù)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(fù)雜的控制問題從時域變換到復(fù)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(shù)的快速發(fā)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(fù)數(shù)域或頻率域解決的問題又重新轉(zhuǎn)移到時域內(nèi)完成，比如控制理論中的狀態(tài)空間法，就是一種直接在時域內(nèi)進行求解，對系統(tǒng)進行分析的方法。另外，自動控制系統(tǒng)從原始的單輸入單輸出系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在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，現(xiàn)在這些內(nèi)容在工程設(shè)計中很少用到。比如根軌跡、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。③自動控制理論這些變化發(fā)展充分體現(xiàn)了否定之否定的歷史發(fā)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(yīng)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(shè)計中基本不用，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，反饋校正和復(fù)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)容是相平面和描述函數(shù)，特別是相平面法，它是后續(xù)研究滑模變結(jié)構(gòu)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?？刂频牟糠謨?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(yīng)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(shè)計這一部分內(nèi)容，應(yīng)該把它作為重點和難點知識深入講解。

3.2 實踐教學內(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，在實踐教學內(nèi)容上要利用好兩個手段：其一是仿真實驗，充分利用Matlab這一進行虛擬實驗的有效工具，對學過的理論知識進行驗證或復(fù)雜系統(tǒng)建模;④其二是實驗課，現(xiàn)在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，可以靈活地組成復(fù)雜程度各異的控制系統(tǒng)。在進行實踐教學內(nèi)容時，應(yīng)該首先利用Matlab軟件平臺對所研究的控制系統(tǒng)進行建模和分析，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軟件平臺所取得的控制效果進行對比分析，找出理想控制模型和實際硬件控制模型的聯(lián)系及區(qū)別。

以上情況說明，在自動控制理論的具體教學過程中要充分利用否定之否定的發(fā)展規(guī)律，要根據(jù)時代的發(fā)展，及時更新教學內(nèi)容，實踐新的教學理念、調(diào)整具體的授課思路與方法，提高自動控制理論的整體教學質(zhì)量。

4 要用理論聯(lián)系實際的觀點提高自動控制理論的課堂教學效果

理論聯(lián)系實際是人類認識或?qū)W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。⑤課堂教學必須堅持理論與實際的結(jié)合與統(tǒng)一，使學生從理論和實際的結(jié)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能力。

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(fù)變函數(shù)、矩陣論等）的要求較高，如果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實踐，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。⑥因此，實踐教學一定緊密配合理論教學，在完成某一部分的理論教學內(nèi)容后，應(yīng)立即進行相關(guān)的實驗或仿真，通過相關(guān)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(jié)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)系起來，提高學生對抽象問題直觀化的能力。在整個理論教學內(nèi)容結(jié)束后，還應(yīng)及時安排課程設(shè)計，要求學生會運用已學過的理論與實踐知識，針對一個實際的控制對象，進行系統(tǒng)分析和設(shè)計，使系統(tǒng)達到預(yù)定的性能指標。經(jīng)過這樣的綜合性實踐訓(xùn)練，一方面可以使學生更好地掌握理論教學內(nèi)容，另一方面也提高的學生的實際動手能力及學習的興趣、效率。另外，在實踐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實踐項目，譬如大學生實驗創(chuàng)新項目、大學生數(shù)學建模大賽等，這些項目給學生提供了動手實踐的平臺。任課教師可以組織學生積極申報，并給予認真指導(dǎo)。從這些具體的實踐項目中體會理論聯(lián)系實際的過程，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(luò)資源，針對教師自己承擔的實際項目，組成自動控制理論學習興趣小組Q群，每個小組單獨對項目中的實際問題進行分析和建模， 然后在Q群中進行集體的討論，最后選擇出適合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能力，提高了他們的學習熱情和學習效率。

5 結(jié)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(yīng)用于社會實踐的各個方面。⑦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、思考問題和解決問題。因為這不單純是哲學理論研究的問題，而是控制理論自身發(fā)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，使理論與實踐相結(jié)合，進一步提高整體教學質(zhì)量。

基金項目：1、鄭州市科技攻關(guān)項目（43204-522）;2、華北水利水電大學研究生核心課程資助項目

注釋

① 李秀林.辯證唯物主義和歷史唯物主義（第五版）[M].北京：中國人民大學出版社，2004.

② 胡壽松.自動控制原理（第六版）[M].北京：科學出版社，2013.

③ 龍祖強，劉燦.自動控制原理的教學方法探討[J].科技視界，2013（17）.

④ Mitchell Waldrop， COMPLEXITY[M].科學出版社，1995.

⑤ 高放.科學社會主義的理論與實踐（第五版）[M].北京：中國人民大學出版社，2008.

⑥ 羅孝曙.淺析自動控制原理的課程教學方法[J].欽州學院學報，2013.28（2）.

⑦ 吳光宗，戴桂康.現(xiàn)代科學技術(shù)革命與當代社會（修訂本）[M].北京航空航天大學出版社，1995.4.