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控制理論的基本概念范文1

“機械工程控制基礎”課程是河南理工大學機械與動力工程學院（以下簡稱“我院”）機械設計制造及其自動化、機械電子工程、測控技術與儀器、熱能與動力工程、車輛工程共五個專業的基礎必修課程。該課程在這些專業的知識體系中起到承前啟后的作用，它緊密聯系和應用先修課程，如高等數學、復變函數與積分變換、電工電子等，并為后續課程的學習打下控制理論基礎。該課程主要圍繞“系統”、“反饋”等經典控制理論的概念進行講解，所研究的問題具有普遍的工程實踐價值，有利于機械專業的學生樹立“系統”和“反饋控制”思想，為學生運用控制理論分析和解決工程實際問題奠定基礎。

“機械工程控制基礎”以反饋控制理論為核心，突出基本概念和方法，介紹控制系統建模方法，線性系統的時域、頻域和根軌跡的分析和設計方法。因此，該課程理論性強，涉及數學、物理、電工等多方面的知識，比較抽象，是一門具有一定深度和難度的課程。[1]在高校學生數量不斷增加、學生質量參差不齊、教學學時不斷壓縮的情況下，如何提高教學質量，加強反饋控制理論基本概念和方法的理解，增強學生系統分析問題和解決問題的能力，是擺在全體教師面前一項艱巨的任務。

在這幾年的教學摸索中，我們不斷克服教學中遇到的問題，總結經驗教訓，改善教學質量。主要從教學內容、教學方法、實踐環節和考核制度四個方面完善教學環節，教學質量得到穩步提升，學生的滿意度也越來越好。

一、完善教學內容

完善教學內容以學生能夠輕松快樂地學習和領會所教授的知識為主要原則。為了保證教學效果，在教材選擇、教學內容編排等方面進行了改善。

1.教材選擇

教材是學生進行課程學習的主要工具，是學生課本文由收集整理前預習和課后復習的重要參考資料。因此教材的優劣一定程度上影響著學生的學習效果。[2]根據各專業的不同特點，編寫了適合機械類各專業的通用性教材。根據學生的不同基礎，注重學生接受能力和上課質量，編寫不同的教案，有針對性講解課程核心內容。

在給獨立學院上課時，發現學生的數學基礎薄弱，復變函數和積分變換學得也不是太扎實，因此在講解系統的數學模型之前，首先給這部分學生單獨補習一階微分方程的求解，然后再將“機械工程控制基礎”中用到的傅里葉變換和拉普拉斯變換，從概念到例題詳細講述一遍，以便于這部分基礎較差的學生能輕松順利接受控制理論中的基本概念和知識。

2.教學內容編排

隨著本科教學的不斷改革，我院“機械工程控制基礎”的上課學時逐漸被壓縮，由最初的48學時削減到32學時（含4學時實驗課程）。教學中出現了上課學時和授課任務量的嚴重矛盾沖突。這對教師的專業知識水平和授課水平提出了更高的要求。

為解決上課學時少的突出矛盾，從學生和教師兩方面逐步著手解決。積極拓展學生的課外學習和實踐，布置一定量難度適中的課外習題作業和上機實踐作業，督促學生深刻理解上課時講授的概念和方法，通過課外作業進一步領會、強化學習。同時，教師在深刻分析教材知識結構的基礎上，把握教學重點、難點問題，有效實施重點教學。重點、難點問題要從概念到例題，一點點分析推導，詳細闡述每個細節和要求。講授內容遵循從簡單到復雜的基本規律，讓學生的認識水平循序漸進，逐步提高。對于較為簡單的教學內容，則通過例題和提問的方式展開與學生的討論，讓學生成為學習的主動者，增強學習質量和效果。

在教學內容的組織上，循序漸進，逐步深化，強調基本概念的理解和應用，減少一些定理和公式的太細推導。在教學過程中，重點講授經典控制理論的主要內容，注重知識體系的完整和工程問題的應用分析，理論聯系實際，例如將電路系統、液壓系統等模型的分析引入課堂中來，提高學生們靈活運用知識解決問題的能力。課程進行中，穿插講授matlab語言在本課程中的運用。讓學生們能夠動起手來，用計算機實現公式的推導、計算和仿真，提高學生們的學習樂趣和成就感。

二、改善教學方法

改善教學方法以提升學生的課堂授課效果為主要原則。改善教學方法主要包括改善教學手段和采用新穎的教學方法，如啟發式、討論式和激勵式教學方法。

1.改善教學手段

目前主要的課堂教學手段有板書和電子講義兩種方式。

減少板書的時間，提高課堂效率，采用多媒體教室授課，引入matlab等計算機輔助教學工具。多年來，根據我們編寫的教材和教案，不斷完善電子講義，授課內容涵蓋經典控制理論的全部內容，豐富了課堂的信息量。充分發揮powerpoint的演示功能，針對課堂中的重點和難點，采用了不同顏色和字號的字體和線條，便于學生及時抓住重點和難點，跟上課堂進度。對于課程中的系統方框圖的簡化、nyquist圖、bode圖的繪制等，采用powerpoint的動畫功能和matlab軟件輔助完成，讓整個電子講義“活”起來，課堂內容充實起來，而不僅僅是知識的灌輸。

每頁幻燈片的排版要清晰、整齊、規范，文字精煉扼要，多用圖片和動畫。讓學生直接觀測到復雜的時域響應曲線、頻率響應曲線以及奈奎斯特曲線，加深對概念的理解和掌握。在講解某些公式推導和習題時，當powerpoint不方便闡述時，則采用板書手寫推導和計算，提高講解效率，也便于學生跟著教師的思路，深刻領會這些難懂的知識點。例如在講解頻率特征量中系統的截止頻率的概念時，結合圖形和計算公式，指出幅頻特性的數值由零頻幅值下降3db得到的頻率，也就是0.707倍的零頻幅值對應的系統頻率值，這樣學生就能夠深刻理解零頻幅值下降3db和0.707倍的零頻幅值之間的關系。[3]

2.采用新穎的教學方法

教師的專業水平和知識結構是一切教學活動的核心。在教學活動中，教師光有知識是不夠的，還要具備一些傳授知識的技巧。大部分教師的知識層次都已經滿足教學要求，相對欠缺的是一些教學方法和技巧的靈活掌握，尤其是對于那些剛加入教學隊伍的博士教師。為提高教學效果，應采用新穎的教學方法，杜絕灌輸式的陳舊教學模式，主要體現在以下幾個方面。

（1）提高緒論講授的質量。緒論幾乎是所有課程的第一節課，一定要將第一節課上好，讓學生對課程本身產生濃厚的興趣和學習沖動。在講授“機械工程控制基礎”的緒論時，除了介紹該課程的性質和主要內容外，還講授了控制理論的發展歷史，控制理論在世界文明中的作用，國內外科學家在控制領域的一系列科學貢獻，讓學生先有一個完整的控制理論發展脈絡，然后又介紹當今的控制理論的應用領域，如柔性制造、空間探測機器人、飛行器控制等，鼓勵學生先學好課本的經典控制理論部分，將來有興趣再深入學習現代控制理論和隨機控制。

（2）采用啟發式和討論式教學方法。啟發式和討論式都是一種互動式教學方法，它能夠啟迪學生思考，將注意力引入教師講授的課堂重點和難點上來，讓學生參與問題的討論并發表自己的觀點，形成了師生互動的課堂氣氛，從而提高學生的學習主動性和課堂質量。在進行啟發式和討論式授課時，教師要先精心準備好一系列問題，這些問題環環相扣，層層推進。提問時，教師要及時掌控課堂的學習氣氛，對于答對的學生，要給予一定的言語鼓勵；對于答錯的學生，也要及時糾正。做到教師和學生的思維融為一體，引導學生進行創造性思維。[1]

（3）采用激勵式教學方法。激勵式教學是給學生一定難度的題目或問題，一旦學生攻克，給予一定的語言獎勵和成績獎勵，提高學生課程學習的成就感。例如，在講授系統的時域分析時，讓學生課下自己編寫程序計算系統時域分析的特征量，并繪制特定系統的時域分析響應曲線。對于那些認真完成作業的學生在期末總成績時給予一定的加分。

三、加強實踐環節

以往搭建積分放大電路進行控制系統仿真的實驗模式已落伍，改用matlab、labview等計算機輔助教學軟件進行實驗。

matlab控制系統仿真實驗具有建模方法簡單高效、參數調整方便、立即得到仿真計算結果等優點。相對于傳統的搭建硬件電路的實驗模式，節省了硬件調試時間，而且學生能夠每人一臺電腦進行控制系統仿真操作，提高了每位學生的分析問題和動手操作的能力，保證了學生對課程實驗的參與程度。matlab仿真實驗的內容安排和理論教學相呼應，通過實驗強化學生對課程中基本概念和方法的理解。

隨著測試技術的發展，虛擬儀器逐漸取代傳統測試儀器。利用labview軟件及其仿真工具包，我們編寫vi程序，實現了各個典型環節的時域響應，如一階系統和二階振蕩系統，還編寫了系統的頻率響應程序，可以畫出系統正弦信號下的奈奎斯特圖和伯德圖，進而分析系統的穩定性和穩定裕度。[4，5]

通過matlab、labview等實驗軟件，加強了學生利用計算機解決工程問題的實踐能力，對課堂理論知識的理解也起到了事半功倍的作用。

四、完善考核制度

不斷完善考核制度，注重平時和實踐考核，實行考核多樣化制度。一般學生的成績結構是：平時課堂表現10%，課后作業10%，實驗成績20%，期末成績60%。通過這樣的設置，使學生開始注重課程的過程學習，讓學生學好每一個章節，并及時做課后習題。加大實驗環節的任務量，注重學生動手能力的培養，減少學生應付實驗教學的心理傾向。[6]課程結束，鼓勵學生積極進行課程教學評價，反饋教學效果。

堅持考教分離的教學考核模式。根據學生的不同層次，組織教師編寫不同難度的考試試題，建立相應的試題庫[1]，此外，還嘗試自主編寫新試題并加入試題庫中，保證課程考核質量。

閱卷后衡量教學效果，并總結考試整體情況，編寫試卷分析報告，為今后的教學完善提供參考意見。同時，開展學生對課程的整體評教活動。讓學生評價教師的教學效果和質量，從而讓一大批深受學生歡迎的一線教師脫穎而出，為學校的整體教學質量提高創造良好的教學氣氛。

控制理論的基本概念范文2

關鍵詞：自動控制理論；有效教學；探索與實踐

Exploration and practice of effective teaching methods for automatic control theory

Liao Shouyi, Zhang Hexin, Zhang Guoliang

The Second artillery engineering university, Xi’an, 710025, China

Abstract: The automatic control theory includes basic theory and method of control system modeling, system analysis and system design. Such distinguishing features as abstractly concept, much terminology, greatly mathematics content, strongly engineering practice, require that the course to explore teaching methods. The effective teaching methods of the course were researched and explored. Good teaching result was achieved by the exploration and practice for years. This can provide reference for promoting teaching quality and making effective classroom teaching.

Key words: automatic control theory; effective teaching; exploration and practice

自動控制理論課程是支撐我校導航、制導與控制國家重點學科的主干課程，自1959年起即為測控工程專業學員開設，目前已面向全院本科學員，是全院性的專業基礎課，選用胡壽松教授主編的《自動控制原理(第五版)》教材。

自動控制理論課程綜合性強、知識覆蓋面廣、基本概念和術語多，數學推導多。它不僅要求學生有扎實的高等數學、工程數學、復變函數、模擬電路、電工技術等課程基礎知識，而且還要有較強的計算能力和工程素養。特別是隨著控制技術的迅速發展，課程內容不斷豐富充實(教材的第一至六章和第八章)，講授對象也日漸廣泛，而課程學時卻一再壓縮(課內60學時)，要求也越來越高，并且所選用教材的內容特點往往使學生因缺乏工程實踐，缺乏對實際控制系統的感性認識而感到內容比較抽象，知識點分散、公式多、推導多，進而影響學習效果?？傊n程標準和教材內容的特點讓學員感到難學，教員感到難教。該課程的改革和建設是全面提高專業課教學質量的基礎，促進學科發展的關鍵。為提高教學效果，促進“指技合一”復合型軍事人才培養，我們對該課程的有效教學方法進行了探索實踐。

1 基于認識論和方法論的教學方法探索

1.1 從定性到定量、再到定性的分析思路

人類認識自然、了解自然，總是遵循從定性到定量、再到定性的這一規律，這種過程也是認識論所倡導的規律。自動控制理論課程的目的是讓學員掌握控制的基本概念，并能夠對實際的控制系統進行分析、設計。理解控制的概念比較容易，但要實施恰當的控制則比較難。在課程教學過程中，我們經常強調從定性到定量、再到定性的這一認識過程，幫助學員掌握整個課程的分析、學習思路，從總體上把握教材的內容，取得了較好的效果。

例如，對于一般自動控制系統的控制原理分析是定性分析，但是光知道自動控制的基本概念和原理是遠遠不夠的，一個實際的系統要能夠進行工作，必須對它進行定量分析，也就是要分析其穩定性、準確性和快速性指標。為了達到定量分析的目的，必須對系統建立模型，這個模型就是數學模型，包括微分方程、傳遞函數、結構圖和頻率特性，正好是教材第二章和第五章的內容。數學模型是實施定量分析的基礎，有了模型并能夠對其進行求解(拉普拉斯變換和反變換)的基礎上，我們就能夠對系統進行定量的認識。例如對快速性的認識，是通過對一階系統和二階系統的性能分析來建立起動態性能指標；對于穩定性的認識是通過線性系統穩定的充要條件和勞斯—赫爾維茨判據、奈氏判據、對數頻率域穩定判據來進行的；對于準確性的認識是通過終值定理和靜態(動態)誤差系數法求穩態誤差來進行的。

學員在學習過程中，喜歡對系統進行定量分析。因為定量分析有公式，計算簡單，容易得出結果；而定性的結論，多屬定量分析的結果、文字性結論以及相關的描述性結論。為此，我們在教學過程中強調，定量分析比較容易，難的是從定量分析上升到定性的結論和定性分析上去，也就是對這些定量的公式、結果的分析。例如，穩定性與參數之間的定性的關系；動態性能指標與系統參數之間的變化關系；穩態誤差隨系統參數變化如何變化；穩定性、穩態誤差和動態性能指標與系統參數變化之間的關系；高階系統增加閉環零點和閉環極點對系統有什么影響等。

1.2 從開環系統分析閉環性能的策略

控制的核心思想是反饋，反饋就可使一般的開環系統變成閉環系統。因此，系統的開環與閉環之間存在緊密的聯系，一般來說，開環系統容易分析和理解，也容易獲得其數學模型，因為開環系統一般是由各種典型環節組成的，可以很方便地求得開環系統的零點和極點。因此，為了分析系統的閉環性能，常常從開環系統傳遞函數、開環性能出發來研究和分析。

例如，為了分析閉環系統的穩定性，勞斯判據需要知道閉環特征方程，而閉環特征方程正好是1+Gk(s)=0，其中Gk(S)就是系統的開環傳遞函數；而用奈氏判據直接通過開環幅相特性曲線Gk(jw)就可判別系統的閉環穩定性，也是從開環傳遞函數出發的。分析系統的穩態誤差時，對于型如tm或其線性組合的輸入來說，可直接通過對開環傳遞函數的型別v和開環增益k來得到靜態誤差系數從而算出穩態誤差。繪制根軌跡時，由1+Gk(s)=0可推導出根軌跡方程，最終可直接采用開環傳遞函數Gk(s)來繪制閉環根軌跡，并根據閉環根軌跡分析系統的動態性能、穩態性能、穩定性等信息。

從開環系統分析閉環性能的策略可以幫助學員掌握各種分析方法的出發基點和分析目的。由于自動控制理論課程概念、術語多，從什么條件出發分析系統的什么性能在學員學習過程中經常引起混淆，往往課程教學已經結束了，學員還不知道用什么傳遞函數來繪制什么(開環、閉環)系統的根軌跡，用什么傳遞函數來計算(開環、閉環)系統的穩態誤差。諸如此類，不一而足。

1.3 從對控制系統的要求出發整體把握教學內容

自動控制理論課程內容繁雜，基本概念、定義、術語、公式多，學員難以從整體上把握課程的全貌，難以建立課程知識體系之間的內在聯系，大部分學員只有靠機械記憶來掌握課程內容。在教學過程中，我們通過從控制系統的一般要求出發，將課程體系有機聯系起來，收到較好的效果。

對自動控制系統的一般要求是“穩、準、快”，因此對控制系統進行分析就是對這三個字進行分析，即分析系統的穩定性、準確性(穩態誤差)和快速性(動態性能指標)。首先要求知道它們的準確含義，其次要采用合適的分析方法。分析方法最直觀的是時域分析法(第三章)；其次是在系統參數發生變化的時候，系統的性能如何變化，可采用根軌跡法進行分析(第四章)；除此之外，如果系統的輸入是正弦波，對系統的分析可采用頻域法進行(第五章)；如果系統的性能不符合要求，則必須對系統進行校正(第六章)。

當然，對于每一種分析方法，其分析特點和目的也不一樣。時域分析可提供時域指標的全部信息；根軌跡法分析具有時域分析的特點，但它可以提供系統參數發生變化時的閉環系統的根的分布情況，從而可以分析系統的時域指標；而頻域分析由于方法的特點，可以分析系統的穩定性和穩定裕度，但不能提供直觀的時域指標。

1.4 線性疊加的思想

自動控制理論講授的主要是經典控制理論，研究對象是線性定常系統，其主要特性是疊加性和均勻性。在系統分析過程中，經常采用的策略是疊加。從一般的多輸入產生的輸出是采用疊加原理，到開環對數幅相特性曲線的繪制也是將幅頻特性相乘變成對數幅頻特性的相加從而簡化運算。對系統進行校正的時候，串聯校正采用的是線性疊加，而反饋校正不具有疊加性，但通過進行一定的簡化，最后進行反饋校正進行設計時，也是通過近似的線性疊加的辦法。因此，疊加的思想在課程中運用得相當普遍。

2 教學實踐體會與教學效果

2.1 多從工程的角度進行教學

自動控制的基礎是微分方程的求解，但精確求解微分方程卻不是本門課程的重點。自動控制理論是從工程實踐中發展并提煉出來的。因此，雖然求解微分方程具有邏輯嚴密性和精確性，但數學特性卻不是該課程的主要特性，在教學過程中應該強調的是其工程性。它的工程性主要體現在幾個方面。一是近似、簡化的方法，例如對非線性系統的小偏差線性化法近似成線性系統，這種近似在工程上是應用得非常多的，也是非常有效的，在一定程度上能夠滿足工程的需要；再例如在一定條件下將高階系統簡化為一階或二階系統。二是大量公式的推導過程應該注重工程背景，而不能從純數學的角度出發進行推導教學，嚴密的數學推導并不是本課程的主要目的，即不能將本課程講成一門純數學的課程，而應該從工程的角度出發，充分利用簡化、近似、適用范圍等工程使用條件，對相關知識點進行講授。

2.2 適當強調控制系統的設計

自動控制理論課程的目標有兩個：一是控制系統的分析；二是控制系統的設計。我校所選用的教材是以控制系統的分析方法為主線，在控制系統的分析方面內容比較詳盡，各種分析方法都有介紹，知識點成體系，但對控制系統的設計則講得較少，也就是注重基礎知識的講授，而忽略如何利用分析方法進行控制系統設計。學員學完該課程之后，掌握了許多控制系統分析的方法，但對實際控制系統的設計基本沒有思路，總感覺無從下手。

為此，在教學過程中，筆者強調基礎分析方法的同時，引入另外一條控制系統設計的主線，以一個導彈控制系統儀器為例，從其控制原理、數學模型、時域響應分析、根軌跡分析、頻域分析以及頻率域校正方法出發，對該儀器系統進行分析與設計，既增加了學員學習相關知識的積極性，又提高了教學效果和學習效果。

此外，原教材的知識內容在控制系統的設計方面雖然篇幅較少，但是涉及相關設計的內容都已經融合在相關知識點中。比如對一階、二階系統的參數分析與調節，對系統開環增益的調節作用等，實際上對被控對象或系統增益的調節已經是系統設計的內容了。事實上，自動控制理論的發展在相當長的一段時間內都是對系統的參數進行調節。如果參數調節不起作用，則需要采用校正方法來改善系統的性能。

值得注意的是，過多地強調系統設計的內容會犧牲對基本理論與方法的教學。引入以實際控制系統的設計這條主線，應當處理好基本理論方法與應用之間的關系，注意把握基本理論方法與應用之間的“度”，這個“度”就是在不犧牲課程內容體系、知識體系完整性的前提下，適當增加設計方面的內容。

除此之外，對教學內容進行整合和精選，引入Matlab編制的輔助教學軟件等措施，也在教學過程中得到了有益的嘗試。

3 結束語

近三年來，在自動控制理論課程的教學過程中，采用基于方法論和認識論的有效教學方法的探索和實踐，與以往的教學情況相比取得了明顯的教學效果。有學員說，通過這樣的教學方法，我們很容易理解課程的內容體系，知道該掌握哪些知識，哪些是重點，哪些是難點，能夠從總體上把握經典控制理論的全貌。對于青年教員來說，通過這樣的實踐，能夠讓他們盡快地理解掌握課程體系和內容，盡快幫助他們成長為一名合格的自動控制理論課程教員。當然，隨著自動化技術的飛速發展，為了能夠適應新時期對人才培養的需要，必須加強自動控制理論課程的教學改革和探索，不斷地更新和完善教學內容，改進教學方法，將自動控制理論課程的教學推向一個新的高度。

參考文獻

控制理論的基本概念范文3

內部控制基本概念

內部控制是指一個單位為了實現其經營目標，保護資產的安全完整，保證會計信息資料的正確可靠，確保經營方針的貫徹執行，保證經營活動的經濟性、效率性和效果性而在單位內部采取的自我調整、約束、規劃、評價和控制的一系列方法、手續與措施的總稱。

內部控制包括控制環境、風險評估、控制活動、信息與溝通、監控等五個相互聯系的要素?？刂骗h境是基礎，包括治理結構、組織機構設置與權責分配、企業文化、人力資源政策、內部審計機制、反舞弊機制等；風險評估是重要環節和內容，包括目標設定、風險識別、風險分析和風險應對；控制活動是具體方式和載體，包括職責分工控制、授權控制、審核批準控制、預算控制、財產保護控制、會計系統控制、內部報告控制等；信息與溝通是重要條件，包括信息的收集機制及在企業內部和與企業外部有關方面的溝通機制等；監測是重要保證，要進行持續性監督檢查，提交檢查報告并提出改進措施。

內部控制理論文獻綜述

吳水澎、邵賢弟、陳漢文等人探討了企業內部控制理論的發展與啟示。作者在研究了內部控制理論當時的最新進展，即coso報告之后，提出該報告對構建我國企業內部控制綜合框架的啟發和借鑒意義體現在五個方面，即完善企業的控制環境、進行全面的風險評估、設立良好的控制活動、加強信息流動與溝通、加強企業的內部監督；同時建議有關部門和團體制定企業內部控制準則或指南，為企業內部控制建設提供一個框架和參考依據。

陳關亭討論了企業內部控制的假說，并著重分析了如下幾個問題：第一，風險管理與管理的關系。作者認為管理包括機會管理和風險管理兩個方面。機會管理主要是增加價值，而風險管理主要防止價值減少。第二，風險管理與內部控制的關系。作者認為風險管理與內部控制并不是包含關系，而是完全等價的。第三，內部控制與財務報告的關系。作者認為，既然企業可以作假帳，那么就同樣可以超越內部控制，內部控制很難防止虛假財務報告。第四，企業層面控制與業務層面控制的關系。認為企業層面控制應貫通業務層面控制。第五，coso框架與我國內部控制現狀。在coso框架評價下我國企業的內部控制遠未取得預期的效果。

楊雄勝則指出傳統的內部控制理論已面臨來自研究對象、控制立足點及前提條件三方面的挑戰。控制對象已不再是權力制衡、結構穩定的組織，內部控制成為組織全力制衡的機制，應使組織具有學習型特征。必須把基于權力控制的內部控制轉變為基于信息觀的內部控制。

潘琰與鄭仙萍則注重對內部控制理論構建的基本假設進行了探討。他們在界定內部控制基本假設的內涵和厘清內部控制基本假設的特征之后，提出內部控制的四個基本假設：控制實體假設、可控性假設、復雜人性假設和不串通假設。

謝志華則探討了內部控制的本質和結構。作者指出企業組織關系包括設立關系和運行關系，這兩種關系決定了企業內部控制的本質和結構。在企業組織關系中，在發起設立時會形成平等的契約關系，以此為基礎所形成的企業內部控制的本質是制衡。而在運行時會形成科層的等級關系，以此為基礎所形成的企業內部控制的本質是監督。制衡和監督既相互區別又相互聯系。

控制理論的基本概念范文4

[關鍵詞]實驗教學 自控原理 Multisim

[中圖分類號]G642.4 [文獻標識碼]A [文章編號]1009-5349（2013）03-0234-01

引言

《自動控制原理》是自動化專業、電子信息科學與技術專業及相關的電類專業的一門重要的專業基礎課程。它側重于理論角度，系統地闡述了自動控制科學和技術領域的基本概念和基本規律，介紹了自動控制技術從建模分析到應用設計的各種思想和方法，內容十分豐富。通過自動控制理論的教學，應使學生全面系統地掌握自動控制技術領域的基本概念、基本規律和基本分析與設計方法，以便將來勝任實際工作，具有從事相關工程和技術工作的基本素質，同時具有一定的分析和解決有關自動控制實際問題的能力。

近幾年來，本課程開始使用現代化教育手段，普遍采用多媒體教學，同時對實驗手段進行了改革，在使用傳統的模擬實驗裝置的同時，結合現代計算機仿真軟件Multisim，利用計算機實現對控制系統的設計和分析，幫助學生理解自動控制理論。

本文介紹的Multisim是專用于電路仿真與設計的軟件，其仿真設計結果更精確、更可靠。現以Multisim10在自動控制原理實驗教學中的應用進行探索。

一、Multisim10概述

Multisim10界面直觀，操作方便，元器件和儀器的圖形與實物外形十分接近，且儀器的操作開關、按鍵也與實物極為相似。作為Multisim仿真軟件的新版本，Multisim10不僅完善了以前版本的基本功能，更增加了許多新的功能，包括：更完備的元器件庫；靈活方便的電路圖輸入工具；虛擬儀器和測試功能等。

二、二階電路仿真舉例

（一）建立二階電路的仿真模型

啟動 Multisim10應用軟件，從其元件庫中選擇所需的電路元件，連接電路，如圖1所示。它是一個以運算放大器為核心的二階電路，利用Multisim示波器來觀測控制系統穩態誤差電路的輸出變化情況。

（二）仿真分析

該二階系統的傳遞函數是：

調節電位器R的大小以及開關的開合，可以觀察到二級系統的延遲時間、上升時間、峰值時間、調節時間及超調量的變化等性能指標。當R變小時，系數的阻尼系數變大；反之系統的阻尼系數變小。

1.當SPST開關斷開時的輸出波形如圖2所示（=0，即無阻尼）。

2.R為250K 時的輸出波形如圖3所示（=0.2，即欠阻尼）。

3.R為50K 時的輸出波形如圖4所示（=1，即臨界阻尼）。

4.R為25K 時的輸出波形如圖5所示（=2，即過阻尼）。

三、結束語

利用Multisim10作為理論教學輔助工具實現實驗教學，不但可以將一些內容較難、圖形較多、用語言和文字難以表達或不易理解的抽象、復雜變化過程，通過仿真以波形活曲線的形式生動直觀的演示出來，可以激發學生的學習興趣和積極性，切實提高了學生分析問題和解決問題的能力，使同學們真正做到通過實驗加深對理論課的理解，提高教學效果。

【參考文獻】

控制理論的基本概念范文5

關鍵詞：《自動控制原理》；Matlab；Simulink；教學改革

中圖分類號：G642.0？搖 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）25-0061-01

一、引言

《自動控制原理》是“儀器科學與技術”學科領域的重要基礎課程，該課程比較全面地向學生介紹自動控制的基本理論，基本概念及其系統的分析與設計方法。通過該課程的學習，可以使學生建立起自動控制系統的基本原理和基本概念，并讓學生初步學會利用控制理論的基本方法分析和設計用于實際的控制系統[1]。

《自動控制原理》課程的特點是：理論性很強，要求學生具有較好的數學知識功底，同時要求學生有較強的系統分析與設計能力。面對這樣一門重要的工科基礎課程，學生普遍反映是抽象、難學，所以如果仍然采用常規的“課堂講授+驗證性實驗”的方法是無法適應現代專業技術的發展要求。因此，需要改進目前的教學方法，調動老師和學生的參與性及學習效果。在《自動控制原理》的常規授課中，一般是采用學校自有設備如實驗箱及示波器等。但是在上述實驗環節中存在的問題是：實物實驗臺套數較少，難以實現每人一臺，實驗以驗證性實驗居多，內容形式老化，難以激發學生實驗積極性。所以我們將Matlab軟件及Simulink仿真平臺引入課堂教學，設計了基于Matlab軟件及Simulink仿真的自動控制原理教學平臺[2，3]。

二、基于Matlab軟件及Simulink仿真的自動控制原理教學平臺

《自控控制原理》是一門理論和實踐都很強的課程。我們在授課時采用先介紹輸入信號基本形式，自動控制原理基本概念，基本分析方法及系統模型建立的順序，給出數學推導證明。同時將授課重點放在基本概念的建立和如何引出這個概念上，弱化推導公式，同時采用基于Matlab軟件及Simulink仿真的自動控制原理教學平臺進行演示[4，5]。MATLAB是美國MathWorks公司推出的一款數學計算軟件。在自動控制系統的教學中，因為涉及到一些問題的計算和畫出相對應的響應曲線，所以完全可以利用MATLAB的強大計算功能和豐富的繪圖功能來解決以上問題[2]。Simulink（Dynamic System Simulation Software），即系統仿真工具箱。利用Simulink 進行系統的模擬建模仿真，它的最大的優點是易于掌握，更清晰直觀的反映系統運行整個過程及信號傳輸方式。因此該軟件非常適合引導學生動手操作，搭建系統并對系統進行分析[5]。圖1是不同輸入信號對于同一個傳遞函數產生的輸出信號仿真平臺。同學可以調節輸入信號的不同類型及輸入幅度參數改變輸入信號，同時通過觀察輸出信號的特點進而掌握傳遞函數的特性。同時同學們苛刻根據應用背景自己設計傳遞函數形式，從而達到掌握線性時不變系統傳遞函數性能特性的掌握與深刻理解。

圖2反映的是控制系統零、極點對系統穩定性及動態性能的影響關系。在此平臺上，同學們可以首先對信號的積分、微分、慣性等環節的特性加以理解，同時對控制系統穩定性及動態性能的調節進行充分的實踐分析，從而達到深刻掌握自動控制系統時域分析的方法與設計理念。

三、結語

《自動控制原理》是一門重要的工科基本理論課程。將Matlab軟件及Simulink仿真引入實驗和課堂教學中，開發基于Matlab軟件及Simulink仿真的自動控制原理教學平臺，改變傳統的演示驗證性實驗模式。

參考文獻：

[1]臧強.MATLAB在《自動控制原理》課程教學中的應用[J].中國科技創新導刊，2011，（35）：65-66.

[2]呂廣紅.MATLAB在自動控制原理實驗教學中的應用[J].輕工科技，2012，（1）：67-83.

[3]喬永鳳，王凱.MATLAB在自動控制原理教學中的輔助應用[J].電腦開發與應用，2011，（25）：30-31.

[4]黎莉，張華敏.基于MATLAB語言的《自動控制原理》專題研究式教學探索[J].職業時空，2011，（7）：87-88.

控制理論的基本概念范文6

關鍵詞：自動控制理論；教學方法；教學手段

作者簡介：曹敏（1976-），女，貴州習水人，貴州大學電氣工程學院，副教授；徐凌樺（1976-），男，貴州貴陽人，貴州大學電氣工程學院，副教授。（貴州 貴陽 550025）

中圖分類號：G642.0     文獻標識碼：A     文章編號：1007-0079（2014）14-0085-02

“自動控制理論”是自動化專業的一門重要專業基礎課，由于其理論性強，涉及知識面廣，與先修課程聯系緊密，容易讓學生產生畏難情緒。然而，該門課程又是自動化專業的一塊敲門磚，能否扎實掌握該門課程所學內容，直接影響到對后續專業課程的學習和理解，而且，該課程同時也是自動化類碩士研究生的必考科目之一。為此，結合近幾年的教學實踐經歷，筆者對自動控制理論課程的教學方法和教學手段進行了探討。

一、講在所有授課內容之前

由于“自動控制理論”這門課程在整個自動化專業本科知識體系中占據了重要的一席之地，因此，在講授該門課程之前，對課程在本專業的地位、教學目的、考核方式等等做一個簡要的介紹極其必要。在講授所有具體內容前，事先告知該門課程有什么用，并用通俗易懂的話簡要概括課程所要講授的內容，讓學生了解該課程在整個專業學習中所占據的地位，需要用到哪些已經所學的知識以及將對之后要學習的專業課程的貢獻等等。另外，還可對課程的學習方法及考核方式等問題一一簡要介紹。這樣做，一方面避免了學生學習的盲目性，解決了學生“為何要學這門課程”的問題，減輕同學的畏難心理，另一方面也強調了課程的重要性，有助于學生樹立學習這門課程應具有的正確學習態度，增強對課程的重視程度。

二、“自動控制理論”在自動化專業的課程地位

“自動控制理論”是本科自動化專業的一門重要專業基礎課，其在整個自動化專業課程體系中所占據的地位，簡單說來就是“承前啟后”。

由于課程主要講授分析和構建自動控制系統的理論和方法，需要用數學手段抽象出由實際物理器件或由各種電子元器件搭建而成的系統的數學模型，從而要用到高數、工數、電路、電機、模電、數電等知識。因此在學習該門課程之前，學生應已先修“高數”、“工數”、“電路原理”、“電機與拖動”、“模擬電子技術”、“數字電子技術”等課程。

此外，作為自動化專業的專業基礎課，“自動控制理論”又為后繼課程所用。如以電機為主要研究對象的運動控制系統、以各種具體生產過程為研究的過程控制系統，以及以單片機、工控機、PLC為核心控制器的計算機控制系統等常會使用傳遞函數來描述系統的數學模型，并使用時域或頻域法來分析系統的性能，衡量系統的穩定性，又或是對具體的各種控制系統使用“自動控制理論”的方法來對系統進行設計。由此可見，“自動控制理論”是自動化專業的一塊敲門磚，是一門不可或缺的專業基礎課。

三、“自動控制理論”的課程內容

盡管“自動控制理論”理論性強，內容多，涉及面廣，概念抽象，且知識環環相扣，其以線性系統為主要研究對象，囊括了自動控制系統的基本概念、系統數學模型的建立及簡化、線性系統的時域分析、系統的根軌跡、系統的頻域分析、系統的校正及離散系統等內容?？雌饋韮热菁姺睆碗s，且與先修的多門課程聯系緊密，但總的說來，該課程講述了兩個內容：一是自動控制系統的分析，而另一個內容就是自動控制系統的綜合（設計）。要講述第一個內容，那就先要了解什么是自動控制系統，它是由什么組成的，對于組成它的各個環節有哪些專有稱謂等等；接著在了解了自動控制系統的構成后，要分析系統，則需要建立系統的數學模型；之后便是用時域法、根軌跡及頻域法等來分析系統。而對于第二個內容，控制系統的綜合，則是設計出滿足相關性能指標的自動控制系統。當系統不滿足性能時，則考慮通過增加校正環節來對系統進行調整，以使設計出的系統滿足要求。由此，“自動控制理論”的內容可簡要概括如下：

系統分析：系統的概念；系統數學模型；系統的時域分析；系統的根軌跡分析；系統的頻域分析。系統綜合：系統的校正方法；系統的校正。

以上這些內容，可深可淺，具體的章節內容安排還應與采用的教學手段、教學方法以及課程的學時數安排等相結合，制作出既不偏離“自動控制理論”主體內容，又符合培養學生掌握學習方法激發學習興趣要求的課程內容。

四、“自動控制理論”課程教學中所采用的教學手段

1.張弛有度的多媒體教學

隨著現代化教學模式的引進，各種多媒體教學課件涌入課堂，授課教師從繁重的傳統板書教學中解脫出來，節省了課堂時間。然而，過分依賴于多媒體課件，常常會導致課堂節奏快，學生對所學知識印象流于表面。并且由于節省了板書時間，課堂的知識量無形中會加大，學生常來不及對各個知識點進行深入思考并理解掌握。尤其對于“自動控制理論”課程來說，需要推導大量的定理、公式及法則等，若這些工作都只靠課件來完成，學生則處于被動接受知識的狀態，其學習效果可見一斑。眾所周知，人接受理解并掌握新事物、新知識需要一個過程，且在此過程中通過積極思考、主動參與才會留下深刻印象，深入認知后方可舉一反三靈活應用。授課經驗表明，將傳統的板書模式與現代化多媒體教學方法相結合，對于諸如系統數學模型的建立，系統分析及校正裝置的設計等重點內容通過板書、應用啟發引導進行推導演算的互動式教學更有助于學生對知識的掌握理解，提高學習效果培養其計算分析能力和解決問題的能力?，F代化多媒體教學手段在“自動控制理論”課程中的使用要張弛有度并與其他教學手段相結合方能起到最佳教學效果。

2.主干清晰的宏觀教學

“自動控制理論”具有理論性強，內容豐富，涉及面廣，概念抽象，環環相扣，與數學聯系緊密且需要較強的計算能力等特點，容易讓學生產生厭學、棄學情緒。因此，在講授具體知識之前，用通俗易懂的一兩句話從宏觀角度高度概括課程內容，事先讓學生對“自動控制理論”有一個整體的認知，解決“這門課有什么用”，“需要用到哪些已經學過的知識”，“主要講什么內容”，“為后繼哪些課程服務”等問題，有助于學生樹立對課程的整體觀念，避免知識片面、孤立。而每堂課開始使用幾分鐘的時間對所講內容進行概括性簡介，指出所授知識點難點及重點，既有助于學生抓住主干，理清思路，又可讓他們在學習的過程中有目的地去構建相關知識，提高其課堂注意力。

事實上，從宏觀上說控制理論主要圍繞著系統的穩定性、動態性能和穩態性能三方面敘述了以線性反饋控制系統的系統分析及設計兩大內容。有了這個整體概念，在宏觀教學思想的指導下，可將課程內容自上而下地劃分為幾大模塊，在講授過程中，從模塊用途開始，逐步細化模塊知識，層層分解，直至各個末枝細節，最后確定各個模塊在主干中所處的位置，與其他模塊之間的關聯狀況等。即由主干梳理到具體知識的精分，又由知識濃縮到課程主干的提取。教學經驗表明，這種主干――枝葉――主干的教學方式，有助于加深學生用整體統一的思想將控制原理的知識體系融會貫通，把彼此相互聯系的概念、觀點源源不斷地納入一個統一的結構中并進行合理的分門別類。通過主干，構造了“自動控制理論”課程的框架，學生學習的過程則是對這個框架不斷充實的過程，最終，學完課程后，學生則能思路清晰地總結出課程主要內容，梳理出課程的主干，避免只學到零碎的知識片段。

3.提問+回答式的互動教學

在教學活動中，學生是永遠的主體。如何調動學生的學習積極性，把他們由被動學習轉變成主動探究，是授課教師義不容辭的責任。為此，在教學過程中，筆者常根據所要講授的內容，提出一些緊密相關的問題，讓學生進行討論分析，引導他們解決問題，總結出問題的答案并進行回答。最后教師會就問題再次進行歸納和總結。此外，在每次課講解新的內容前，對于已經學習過的知識，花5～8分鐘的時間，讓一名學生對上次所學知識進行簡要的回顧，并由其余同學對其進行提問，對于回答不完善或不正確的，可由提問者進行補充回答或糾正。教學經驗表明，采用這種方式進行授課更有助于學生對所學知識的理解及掌握，且印象深刻，加強了師生間以及同學間的相互交流，有利于各種創新思維的迸發，同時也調動了學生的學習積極性，增加了他們的學習信心，培養了他們分析并解決問題的能力以及歸納總結和語言表達的能力。

4.學生自主式學習的課堂教學

“自動控制理論”涵蓋內容多，如果在教學中一味采用以教師為主體的填鴨式教學，則在無形中助長了學生棄學、厭學的思想，壓制了其主觀能動性及思維的創新性發展，不利于其學習能力的培養。為了激發學生的學習主動性，筆者在教學中采用了以學生為主的課堂教學方式。即把學生分成幾組，分別選取“自動控制理論”中易于讀懂的章節知識在課下進行學習并制作相應的課件，然后在課堂上選取一名小組成員配以自制的課件來向全體同學傳授知識。其余小組成員可以進行補充，而其他同學則可以就不清楚不明白的地方向該小組同學進行提問。教師根據每組同學的情況會給出相應分數，并將其計入“自動控制理論”課程的總成績中。教學效果表明，學生們在課堂上更為活躍，這種授課方式大大增加了學生的學習主動性，使學生在自主學習的過程中去真正體會學習――理解――掌握知識的過程。通過教師對學生的鼓勵、支持及肯定，則進一步增強了他們的學習情緒和自信心，同時還培養了他們的團隊合作精神。反過來，從這種以學生為主的課堂教學中，學生在課堂中所展示出的各種創造性思維則為思維幾乎已經模式化的教師開辟了新的天地，更有助于教師自身教學水平的提高。這種良性互動，正是教學過程中喜聞樂見的。

五、結束語

教學方法的探索和教學模式的改革是教學過程中永恒的話題，“自動控制理論”是自動化專業的一門重要專業基礎課，筆者經過多年的教學實踐，總結出以上一些教學方法并進行了實施，獲得了一定的效果。為提高教學質量，在今后的教學實踐中，只有不斷擴充新的方法，不斷總結，不斷改進，才能更好地引導學生掌握相關知識，為后繼課程夯實基礎。

參考文獻：

[1]吳濤.自動控制理論課程教學探析[J].赤峰學院學報,2011,(4).