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1、上好自动控制原理第一课作者：莫怀训 广东省轻工职业技术学校机电科;刘晓瑞 广州城市职业学院计算机工程系- Control Engineering China2006-11-14 点击:415摘要：自动控制技术的职教工作具有一定的难度，自动控制原理是其中的核心课程，本文主要讨论如 何在这门课程的教学过程中把抽象的理论具象化，如何提高大家的兴趣，如何把这门课程与整个专业体 系结合起来。.、八、-前言自动化技术是当代高新技术的一部分，同时又与近现代科学技术联系比较紧密。作为自动化专业的 老师和学生就是要学习和应用自动化技术为社会主义现代化建设服务，而这个专业当中最基础和最核心 的课程就是自动控制原理
2、。然而自动控制原理这门课程理论性很强，同时对同学们的数学素养、 电路分析计算要求较高。随着普通高校的扩招，中专、技校、高职类学校的生源素质不断下降。高等数 学、电路理论的课程已经让我们的同学头痛不已，更何况以这些课程为基础的自动控制原理。我们 或许可以在实践当中因为“以技能培训为目标”而放弃这门理论性太强的课程，但若要真正学好自动化这 个专业，让我们这个教育体系培育出来的不是技术机器人而是技术人才，那么在“以技能培训为目标”的 前提下，自动控制理论却是可以简化而不能省略的。那么如何在现阶段上好自动控制原理这门 课程就成了一个有挑战性且不能回避的问题摆在了我们的面前。在笔者教学实践的过程中，觉得
3、上好自动控制原理第一课非常重要。1 感性认识要充分，基础概念要扎实，学习兴趣要培养对于这门难度很高的课程，第一课一定要给予学生充分的感性认识，为基本概念的掌握打下好的基 础。只有掌握了基本的概念，学生才有进一步自我深化的可能。而同时感性认识的获得的方法莫过于实 际的例子。笔者为此设计了一些例子来进行教学，获得了较好的效果。现举出常用的一个例子与大家共 同探讨。如图所示，这是一个水位自动控制系统。 首先需让同学们明白这个系统的控制过程。在教学实践中发现，由于比较贴近生活，同学们对于这 个系统的自动运行原理基本都能自发自然的理解，不需太多的引导。但当教师要同学们对他自己的理解 进行表述时却都不能准
4、确完整的表达。因此在教学过程中要引导大家如何进行准确完整的表述。一般有 以下这样几点需要表述出来。（1）系统的控制目标是什么？被控制量是什么？被控对象是哪个？扰动量有哪些？（被控对象和 被控量不要混淆，要让同学们分清楚，同时还要让大家明白系统的概念）（2）什么元件实现对被控对象的驱动？这个元件就是执行元件。（3）哪个元件实现对被控量的测量？它就是检测元件。它的信号是如何反馈的？（4）输入量由哪个元件给定？反馈量如何与给定量进行比较？（一般要进行反馈量大于给定量和 小于给定量的两方面分析，在讲解的时候要重点突出负反馈在自动控制系统中作用和地位）（5）系统还有哪些元件给定？它们在系统中起什么作用？
5、 通过这样的引导，同学们基本能完整准确的表述。反复进行这样的训练，同学们从中可以得到这些 学习效果：基础概念不断丰富深入认识理解，系统的缜密的思维不断建立完善，语言表达能力得到提高。 而且在分析的过程中，同学还能感觉到自动化原来并不是那么神秘，是可以学会，可以掌握的，从而提 高大家学习兴趣。当然在实际教学中，不能仅举上述一个例子，还需很多例子，如直流调速系统、位置随动系统、过 程控制系统（一般书上温度控制最常见到）等等。例子越多，同学们感性认识越丰富，基础概念理解越 深入准确。当然这个学习的过程中，还应该适当的留下空白，让同学们解答，或者让同学们写出一些简 单控制系统的分析，作为大作业评讲。2
6、分析过程结合自动化课程体系，让同学初步建立专业知识体系，凸显本门课程重要性 我们在分析自控过程时，要让同学们领会到自动化专业课程体系的结构，知道每门课程的基本作用 和地位。从而通过这门课程让大家可以初步建立起本专业的知识框架，至于具体内容，当然需要每门课 程的具体教学去完成了。具体的操作，可举下面这个温度控制的例子来说明。电炉调 压 器闭环炉镒控制系齡闭环炉温控制系统駅理框图炉子朋彊屉度亠豹电斛拯电偶St较id塑碍机亦速器我们在分析该温度控制系统时，要指出其中各元件的基本原理，属于哪门课程的内容。例如其中调 压器属于电工技术的内容，在这里充当执行元件的一部分；减速器属于机械工程的内容，在这 里
7、充当执行部分；电机属于电机原理的内容，在这里也属于执行元件；功率放大器和前置放大器属 于电子技术的内容，在这里充当比较功能及驱动电机；滑动变阻器承担输入器件功能；热电偶属于 工程测试的内容，在这里充当测量反馈的功能；电热器和炉子算是被控对象，炉温就是被控量。自动控制系统原理框图然后我们可以总结出自动化课程体系与自动控制系统的关系图。3 学习自控原理课程的必要性，引导学生从简单分析到深入思考上面第二点或许在一定程度上说明了学习自控原理的必要性，但还不够充分。同学们会觉得分析自 动运行的系统好像挺简单的，无需作太多的研究，因为那些自动运行的例子好像都时一看就懂的，只要 我们学好其他专业的知识，按照
8、负反馈的原理组建系统就足够了。那么我们就要纠正同学们这种浅尝辄止的思想。我们可以还以上面水位控制的例子来进行引导。我们可以用杠杆作一个简单的水位控制器。同学们 对其为什么能自动控制水位的原理分析都可以是头头是道了。然而我们可以提出一个问题：它真的就是这么准确的控制水位了么？不会出现异常的情况么？ 同学们开始思考了，然后纷纷提出自己的见解，大部分都是说元件不好或者目标水位超过实际的最 大水位、最大进水量小于出水量等。教师对大家的见解进行肯定之后，提出一个可能存在的现象，这个现象与大家开始提出的问题并无 肯定的联系。这个现象就是系统的振荡，水位的振荡，它的直接诱因是由于系统存在的惯性，如杠杆控 制
9、器的惯性，容器的惯性。简单分析过程如下：当系统开始时，容器无水，水位低，杠杆控制器将进水阀门打开到很大的开启度，进水量增大并将 大过干扰出水量，水位开始升高，杠杆控制器逐渐关闭进水阀门，使进水量逐渐减小，但仍大于出水量；当水位到目标位置时，杠杆控制器到平衡位置，进水阀门应该调整到进水量刚刚等于出水量的开启 度，但由于杠杆控制器的惯性，此时仍然朝着关闭进水阀的方向运动，导致进水量继续减小，那么进水 量将小于干扰的出水量，水位开始降低，低于目标位置，杠杆控制器又将开启进水阀，增大进水量，水 位升高；当水位又到目标位置时，杠杆控制器到平衡位置，进水阀门应该调整到进水量刚刚等于出水量的开 启度，但由于
10、杠杆控制器的惯性，此时仍然朝着开启进水阀的方向运动，导致进水量继续增大，那么进 水量将大于干扰的出水量，水位继续升高，高于目标位置，杠杆控制器又将关闭进水阀，减少进水量， 水位降低；很显然，如此往复，我们很难预测其何时停止控制，水位到目标位置。大家陷入了思考，对此现象的存在表示肯定。教师再让大家拿出解决办法，大家再思考，当然此次 思考没有这么容易有结果。然后教师再举出以前分析的众多例子，对每个系统分析发现都有可能出现振 荡现象。此时教师可以宣布我们自动控制原理这门课程就可以解决这些问题。此后大家对该门课程学习的必需性有了新的认识。 当然我们可以顺势总结系统输出的几种常见情况：无阻尼、欠阻尼、过阻尼、不稳定等，表示系统 性能的几个指标：超调量、稳定性、准确性等。自动控制原理这门课程的教学过程是有相当难度的，我们要努力的研究，并与实际相结合，本 文提到的一些措施，仅为提高其教学质量的一点而已，希望大家给予批评指正。
上好《自动控制原理》第一课
