“自動控制原理”課程思政教學探討

郭愛文　專祥濤　丁李

［摘 要］ 隨著信息技術的飛速發(fā)展及在各行各業(yè)的深入滲透，高校教學過程中越來越多的專業(yè)開設了控制類課程?！白詣涌刂圃怼笔亲詣踊悓I(yè)的核心基礎課程，也是武漢大學全校公共專業(yè)基礎平臺課，受眾面十分廣泛。通過主要闡述經(jīng)典控制理論PID控制器中體現(xiàn)的系統(tǒng)思想，通過剖析PID控制的物理內(nèi)涵，潤物無聲地融入思政元素，將控制理論內(nèi)在的技術哲學自然融入專業(yè)課程教學，在傳授知識的同時進行價值引領，切實提升立德樹人成效。

［關鍵詞］ 自動控制原理；PID控制；物理內(nèi)涵；課程思政

［基金項目］ 2019年度國家自然科學基金面上項目“基于權重控制的多層復雜網(wǎng)絡傳播動力學研究”（61873194）；2022年度武漢大學新工科建設項目課程建設與教學方法改革項目“控制類課程課程思政教學設計研究”；2019年度武漢大學教學改革項目“依托智能車競賽的綜合訓練平臺建設研究”

［作者簡介］ 郭愛文（1974—），女，湖南雙峰人，工學博士，武漢大學電氣與自動化學院講師，主要從事控制理論研究。

［中圖分類號］ G641 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2024）04-0124-04 ［收稿日期］ 2022-12-07

引言

在變革時代成長起來的當代青年學生，在思想觀念、價值判別等方面都具有顯著的時代特征。隨著視野的擴大和思考的深入，大學生面臨海量信息的接收、辨識和處理的壓力，同時又受到多元文化和多元價值觀的交織影響，迫切需要科學思想的引領，樹立正確的理想信念、價值取向、社會責任和政治信仰。在2016年全國高校思想政治工作會議上，習近平總書記就強調(diào)：“要用好課堂教學這個主渠道，思想政治理論課要堅持在改進中加強，提升思想政治教育親和力和針對性，滿足學生成長發(fā)展需求和期待，其他各門課都要守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應?！保?］然而長期以來，高校思政課程與其他公共課程專業(yè)課程協(xié)同育人的格局未能有效形成，究其原因是多方面的：一是在教育理念上，不能正確認識知識傳授與價值引領之間的關系，“全課程育人理念”沒有完全樹立起來；二是在課程設置上，沒有正確處理好顯性課程與隱性課程之間的關系；三是在隊伍建設上，不能統(tǒng)籌處理好育才能力與育德能力的關系［2］。

武漢大學在教育教學改革過程中越來越清晰地認識到，要想提升高校思想政治教育的實效性，必須充分發(fā)揮課堂育人主渠道作用，充分利用全校學科資源豐富的優(yōu)勢，將學術資源轉(zhuǎn)化為育人資源，實現(xiàn)知識傳授和價值引領的有機統(tǒng)一，推動“思政課程”向“課程思政”的立體化育人轉(zhuǎn)型。本文以“自動控制原理”課程中PID控制為例，依據(jù)筆者長期在一線教學過程中的感悟，淺析課程思政與專業(yè)課程的有機融合。

一、“自動控制原理”課程概述

“自動控制原理”是自動化類專業(yè)的必修課、基礎課、核心課，也是武漢大學全校公共專業(yè)基礎課程，面向全校電氣、電子信息、導航工程、能源動力、機械、智能建造等專業(yè)學生開設，是一門交叉性、理論性很強的課程。課程的主要任務是向?qū)W生介紹自動控制的基本原理、控制系統(tǒng)的組成、控制系統(tǒng)數(shù)學模型、控制系統(tǒng)的時域、根軌跡和頻域分析的基本方法、控制系統(tǒng)校正、非線性控制系統(tǒng)、離散控制系統(tǒng)等。通過課程學習，學生將掌握扎實的控制理論基礎，并具備控制系統(tǒng)分析和設計能力，為今后分析、設計和繼續(xù)學習復雜控制系統(tǒng)奠定堅實的理論基礎。

二、融入課程思政的“自動控制原理”課程目標

教育興則國興，教育強則國強。高等學校圍繞立德樹人的總目標，除了注重知識傳授、能力提升以外，還應該加強素質(zhì)教育，實現(xiàn)價值引領。大學生正處在“三觀”形成的關鍵時期，高等學校在教育過程中要幫助學生形成正確的“三觀”。

（一）課程知識能力目標

根據(jù)“自動控制原理”課程教學大綱，該課程的培養(yǎng)目標為：讓學生掌握自動控制原理基本結(jié)構(gòu)、基本特征、技術指標；能夠?qū)嶋H工程問題加以分析進行抽象、簡化，根據(jù)事物的內(nèi)在發(fā)展規(guī)律，依據(jù)物理中力學、電學、熱學定律及化學原理等知識體系，運用微分方程、復變函數(shù)與積分變換等數(shù)學知識建立合理的控制系統(tǒng)數(shù)學模型；能夠運用控制系統(tǒng)分析方法分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)性能及靜態(tài)性能；能夠利用控制系統(tǒng)分析方法以及MATLAB等仿真軟件對簡單的控制系統(tǒng)進行校正和設計，從而提高學生的綜合運用能力。

（二）課程思政育人目標

依據(jù)立德樹人總目標，結(jié)合武漢大學人才培養(yǎng)目標，從頂層設計上下功夫，構(gòu)建全面覆蓋、類型豐富、層次遞進、相互支撐的課程思政體系［3］。武漢大學依據(jù)自身強大的綜合性學科優(yōu)勢，從新生進校開始，在思政課程中堅持弘揚主旋律，加強科學社會主義理論知識的系統(tǒng)學習，奠定思想政治素質(zhì)的基礎，形成基于辯證唯物主義的哲學思想底色，塑造基于馬克思主義認識論與實踐論的思維習慣和行為準則。但大學的思想政治教育絕不能僅僅停滯在思政課之中。因此，提升專業(yè)任課教師的課程思政思維習慣則更具有深遠意義。專業(yè)任課教師有意識地將思想政治工作貫穿到課程體系之中，在傳授專業(yè)課程知識的基礎上引導學生將所學知識和技能轉(zhuǎn)化為內(nèi)在德行和素養(yǎng)，注重將學生個的人發(fā)展與社會發(fā)展、國家發(fā)展結(jié)合起來，激發(fā)學生為國家學習、為民族學習的熱情和動力，幫助其在創(chuàng)造社會價值過程中明確自身價值和社會定位。注重科學思維方法的訓練和科技倫理的教育，培養(yǎng)學生探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感，培養(yǎng)學生精益求精的大國工匠精神。

三、PID控制物理內(nèi)涵及思政元素融入

PID（proportion-integral-derivative）控制即比例積分微分控制，在經(jīng)典控制理論中具有舉足輕重的地位。作為最早實用化的控制器，PID控制已有七十多年歷史。在目前廣泛使用的控制器中，常常采用比例、積分、微分等基本控制規(guī)律，或用這些基本控制規(guī)律的適當組合，如比例加積分，比例加微分，比例加積分加微分等控制規(guī)律，以便對被控對象進行有效的控制。這一經(jīng)典控制器以結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、調(diào)整方便、工作可靠，成為最早運用到工業(yè)控制領域且經(jīng)久不衰的主要技術之一［4］。

（一）PID控制物理內(nèi)涵

根據(jù)負反饋工作原理構(gòu)成的自動控制系統(tǒng)，其最大特點就是采用誤差e（t）進行控制。這也就意味著誤差e（t）是進行控制的最原始、最基本的信號。因此，工程上普遍應用的比例、積分、微分控制都是針對誤差e（t）而言。圖1所示為典型的PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

其控制規(guī)律為［3］

其中比例環(huán)節(jié)實質(zhì)上是一個具有可調(diào)放大系數(shù)的放大器。當Kp＞1時，則引入比例調(diào)節(jié)器后可增大整個系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差、提高控制精度。但是過大的Kp也會導致系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性下降，甚至造成不穩(wěn)定。因此，在工程實際中一般不單獨運用比例控制，而是將比例控制與積分、微分等控制規(guī)律結(jié)合起來使用，以便有效提升系統(tǒng)的控制品質(zhì)。這里也必須指出，雖然在實際工程中不單獨使用比例控制器，但比例控制卻是控制系統(tǒng)中必不可少的環(huán)節(jié)。否則直接違背了反饋控制系統(tǒng)按誤差進行控制的這一特點。從這一角度來看，也就意味著無論是采用微分、積分或者微分加積分控制，都必須是在比例控制的基礎之上。

純積分環(huán)節(jié)可以提高系統(tǒng)的無差度階數(shù)，從這一角度看，有利于改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，但同時也因為積分環(huán)節(jié)的存在，會導致系統(tǒng)穩(wěn)定性有所下降。因此，純積分環(huán)節(jié)有利有弊，但只要控制系統(tǒng)中存在誤差信號，哪怕誤差信號很小，積分環(huán)節(jié)就能對誤差信息進行不斷累積，并對系統(tǒng)進行相應控制，迫使誤差回復至0為止，從而有效地改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。而系統(tǒng)中的比例控制部分則將e（t）的大小和符號即時按比例對系統(tǒng)進行控制，可以有效彌補積分環(huán)節(jié)帶來的副作用，以維持系統(tǒng)的正常運行。

由于一階導數(shù)表示變化率，因此PID控制中的微分控制分量對e（t）的變化非常敏感。誤差e（t）一有變動，u（t）值就隨之變化。e（t）變化越劇烈，則u（t）絕對值越大。正因為比例加微分控制器的控制作用超前于e（t）的變化，因此控制器能夠提前行動，及時采取措施對系統(tǒng)做出有效的控制，起到“未雨綢繆”的作用。微分控制可以抓住誤差e（t）變動的“苗頭趨勢”，提前進行預判，及時采取策略控制系統(tǒng)，具有突出的“預見性”“提前性”優(yōu)勢。微分控制不僅可以反映誤差信號的變化趨勢，而且能在誤差信號尚未出現(xiàn)之前，在系統(tǒng)中給出有效的早期修正信號，從而有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且有效抑制過大的超調(diào)量。

（二）PID控制中的思政元素

由PID控制器的物理規(guī)律可見，PID控制器充分考慮了現(xiàn)在（P）、過去（I）和未來（D）三個歷史階段，綜合考量三個時間段的信息，并賦予不同的權值進行調(diào)節(jié)，形成綜合的控制規(guī)律。在技術上充分體現(xiàn)了唯物史觀，在設計上考慮了全時間軸，使得PID這一經(jīng)典控制器至今仍是工業(yè)控制領域中經(jīng)久不衰且最富有活力的控制器。

積分控制對誤差信息進行歷史累積，通過持續(xù)工作直至消除靜態(tài)誤差。積分環(huán)節(jié)的這一特點啟發(fā)青年學生可以通過學習歷史先驗知識，總結(jié)經(jīng)驗，及時審視糾正問題，形成相對完善的識別和作用，用于指導行動，形成收斂穩(wěn)定的效果，厚積薄發(fā)。微分控制具備相位超前能力，能對未來趨勢提前預判，使系統(tǒng)偏差消失于萌芽狀態(tài)之中，有效增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。從微分環(huán)節(jié)這一特征能夠可以看出，凡事預則立不預則廢，要有長遠規(guī)劃，方能行穩(wěn)致遠。PID控制器猶如一個緊密聯(lián)結(jié)的團隊，團隊中的每一位成員各司其職，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，同時根據(jù)事物具體特性調(diào)整加權系數(shù)，形成協(xié)同效應，構(gòu)成一個相對完善的功能，指導整個系統(tǒng)統(tǒng)一行動，達到整個系統(tǒng)收斂穩(wěn)定的功效，成為實現(xiàn)工作效率最大化的最有效方式。

結(jié)語

課程思政是構(gòu)建全員、全程、全方位育人目標的重要舉措，也是落實立德樹人根本任務的關鍵。本文以經(jīng)典控制理論中PID控制器為例，詳細剖析了專業(yè)課程與思政課程的相互融入。這一過程可清晰地看到專業(yè)課程蘊含著豐富的思政元素。育人先育己，在課程教學探討過程中，控制理論教學團隊與馬克思主義學院教師相互交流學習，提升思想政治理論水平，通過教學研討會，校際交流等多渠道，在教中學、學中教，通過反復實踐總結(jié)，全面增強專業(yè)課教師的思想政治育人意識和能力，從而建設一支政治素質(zhì)過硬、業(yè)務能力精湛、育人水平高超的高素質(zhì)教師隊伍。

“自動控制原理”這一經(jīng)典控制理論課程蘊含了深邃的哲學思想，思想領域的育人元素自然融入。只要課堂的組織者能夠用心挖掘，精心打磨，引導青年學生感悟控制理論中的思想光芒，領略技術哲學之美，進而提升辯證唯物主義和歷史唯物主義的認知。青年學生在經(jīng)典控制理論學習過程中，不僅深入學習了專業(yè)知識，也因為思政元素的融入，讓理論課程變得生動鮮活，也更富有感染力。讓學生能夠深刻理解其物理內(nèi)涵，在掌握知識的同時自然接受價值引領，實現(xiàn)教育全員、全程、全方位育人目的，切實達到“德能兼?zhèn)洹薄?/p>

參考文獻

［1］習近平在全國高校思想政治工作會議上強調(diào) 把思想政治工作貫穿教育教學全過程 開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面［N］.人民日報，2016-12-09（1）.

［2］高德毅，宗愛東.課程思政：有效發(fā)揮課堂育人主渠道作用的必然選擇［J］.思想理論教育導刊，2017（1）：31-34.

［3］孟慶瑜，陰冬勝.發(fā)揮“主力軍”“主戰(zhàn)場”“主渠道”作用全面推進課程思政建設［N］.人民日報，2021-06-08（13）.

［4］胡壽松.自動控制原理（第六版）［M］.北京：科學出版社，2017：88-92+120-121.

Discussion on Curriculum Ideology and Politics Teaching of Automatic Control Principles： Taking PID Control Teaching as an Example

GUO Ai-wen， ZHUAN Xiang-tao， DING Li

（School of Electrical Engineering and Automation， Wuhan University， Wuhan， Hubei 430072， China）

Abstract： With the rapid development of information technology and its deep penetration in all walks of life， more and more colleges and universities have set up control courses in the teaching process. Automatic Control Principle is the core basic course of automation major， and also the basic platform course of public major in Wuhan University， with a wide audience. This paper mainly expounds the system thought embodied in the PID controller of the classical control theory. By analyzing the physical connotation of P-I-D control， it integrates ideological and political elements， and the internal technical philosophy of the control theory is naturally integrated into the professional course teaching， to acheive value guidance and effectively improve the effectiveness of moral education.

Key words： Automatic Control Principle; PID control; physical connotation; curriculum ideology and politics