自动控制类论文汇总十篇

时间:2023-03-14 14:49:01

自动控制类论文

自动控制类论文篇(1)

中图分类号:G642.0 文献标识码:B

文章编号:1671-489X(2016)24-0018-03

Educational Reform for Modem Control Theory based on Por-table Inverted Pendulum//PAN Juntao, LIU Fang, ZHANG Bai, WEI Haicheng

Abstract This paper presents a teaching reform method in view of the existing problems among curriculum of modem control theory. With idea of task-driving, the modeling, analysis and control of por-

table inverted pendulum are introduced in the whole teaching process

which effectively inspiring students’ passion. The proposed method is workable which yields excellent teaching results.

Key words portable inverted pendulum; modem control theory; task-

driving

1 前言

自动控制技术是衡量一个国家现代化发展程度的重要指标之一。所谓自动控制,是指在没有人直接参与的情况下,利用外加的设备或装置(控制器),使机器、设备或生产过程(被控对象)的某个工作状态或参数(被控量)自动地按照预定的规律运行[1]。作为当前信息技术领域的重要内容之一,自动控制技术在现代科学技术的众多领域起着越来越重要的作用。时至今日,在生产、军事、管理、生活等各个领域,随处可见自动控制的身影。

随着国家现代化进程的不断深入,全社会对自动控制技术人才的需求量也日益增长。为此,全国各高校相继设立自动化专业,以期为社会培养具有一定工程素质,掌握自动化学科基本理论和应用技术的自动控制技术人才。同时,各高校根据自身的办学定位,制订诸多特色鲜明的自动化专业人才培养方案。需要指出的是,各高校自动化专业人才培养方案虽有一定的差别,但都会把现代控制理论课程作为其课程体系中不可或缺的核心内容[2-4]。

北方民族大学作为一所委属民族院校,根据旨在服务我国少数民族和民族地区经济社会发展的办学目的,培养优秀少数民族人才的办学定位,针对高年级自动化专业的学生开设了48课时的现代控制理论课程,其中理论课时数为40,实验课时数为8。该课程在教学要求上对高等数学、线性代数、大学物理等数理基础课程有较强的依赖,并且课程中的抽象概念繁多,加之民族院校学生基础薄弱,使得学生在学习过程中普遍感觉吃力。此外,课程实践课时数少,在一定程度上限制了对学生创新实践能力和工程素养能力的培养。因此,如何在国家高等教育改革的新形势下,高质量地完成现代控制理论课程的教学任务,并培养出具备一定工程素养的合格自动化专业技术人才,是摆在任课教师面前亟待解决的重要难题之一。

本文以北方民族大学自动化专业开设的现代控制理论课程为背景,针对当前课程教学过程中普遍存在的问题,在课程教学中引入便携式倒立摆实验平台,并在该平台下提出一种以任务驱动法[5]为核心思想的控制理论类课程教学改革方法,以改善现有现代控制理论课程的教学效果,在夯实自动控制理论知识基础的同时,进一步加强学生实践创新能力和工程素养的培养。

2 课程特c及教学现状分析

课程特点 现代控制理论是北方民族大学自动化专业人才培养方案中开设的一门重要的专业课程。该课程以状态空间为核心,培养学生分析和设计一般自动控制系统的能力。鉴于学校地处西部偏远地区,综合考虑区域性学科发展,民族院校人才培养、教育科研的特点,将现代控制理论的教学目标定为了解自动控制的基本原理,掌握多输入多输出控制系统的建模方法,具备一定运用基本数理知识和MATLAB辅助设计软件对控制系统进行分析与设计的能力。相比其他专业课程,该课程具有如下特点。

1)课程理论性强。控制理论类课程是一类理论性很强的专业课程。其主要目的是培养学生运用书本知识定性、定量分析与设计一般控制系统的基本能力。课程教学内容对高等数学、线性代数、大学物理、复变函数、电路原理、模拟电子基础、数字电路逻辑设计等基础课程有较强的依赖,这就要求学生在课程的学习过程中必须具备一定的数、理、电三方面的基本知识。

2)课程知识概念抽象。由于控制理论类课程是以数理知识为基础的,因此,课程所涉及的许多重要控制概念,如系统稳定性、能控性、能观性、鲁棒性等,都以数学形式给出,致使相当一部分学生在学习理解掌握课程内容上较为吃力。

课程教学现状分析

1)学生基础薄弱。作为一所民族院校,有相当一部分比例的学生来源于边疆少数民族地区和边远贫困地区,基础较弱。因此,在学习控制理论类课程的时候,学生很难对该课程涉及的数理基础知识及抽象的课程概念做到基本的掌握,从而一定程度上增加了学生对该课程学习的难度,学习积极性不高,学习兴趣降低。

2)重理论轻实践,理论教学和实践教学脱节。作为一所应用型本科院校,教学的指导思想是让学生在学完课程之后能够很快地将所学知识应用到实践中去。目前学校虽然对自动化专业的控制理论类课程配套了相关的实验学时,但由于学时数少,且实验内容也仅仅停留在对理论知识的简单验证。这样的实践环节往往不能取得良好的效果,也一定程度上影响了对整体课程理论知识的把握,无法充分利用有限的实践机会加深理解专业理论,从而使得理论教学和实践教学脱节。

综上所述,为了进一步改善控制理论类课程教学效果,培养具备一定工程素养的自动化技术人才,针对控制理论类课程教学内容、教学方法的改革探索势在必行。

3 课程教学改革

鉴于控制理论类课程特点及其教学现状,该门课程的教学不仅要夯实学生的理论基础,而且要培养学生的工程素养。倒立摆系统是一种从工程实际中抽象出来的控制模型,是一个绝对不稳定的控制系统,其高阶次、强耦合、多变量等特性,使得对它的控制极富有挑战性。目前,国内外的控制实验中心均普遍将其作为控制算法验证的实验平台。

有鉴于此,本文以“便携式倒立摆”为载体,围绕该平台,设置一系列“任务”,并将其穿插在控制理论类课程的教学过程中,探索基于任务驱动法的控制理论类课程改革新方法。

不同于传统倒立摆实验平台,便携式平台的便携性和易维护性打破了现有实验场地的空间约束,方便地将“实践”教学环节引入课堂,借此拉近理论与实践的距离,克服传统教学中重理论轻实践、知行分离的弊端。此外,其特有的USB通信方式,可使学生非常方便地利用自己的笔记本电脑将课堂知识应用于实际控制设备,无形中开放了“实验室”。如此,课程实践教学环节不再受时间、场地的限制,且易于维护。这不仅最大程度上增大了实验设备的利用率,更建立了学生对理论性课程教学的兴趣,在“授之以~”的过程中“授之以渔”。

受篇幅限制,本文以系统建模为例,围绕倒立摆系统,设置“建立便携式倒立摆系统数学模型”教学任务,并将该任务贯穿于课程“动态系统的状态空间描述”的教学中。

众所周知,系统建模是学习控制理论类课程的第一环节,也是分析和设计控制系统的前提条件。受学时限制,现有教学方法仅仅以简单电路系统或机械系统为例,在理想情况下说明数学建模的过程和方法。然而在工程实际中,建立一个系统的数学模型绝非易事,要经历一个复杂的过程。在国家推行“卓越工程师教育培养计划”的形势下,非常有必要让学生在课程学习过程中亲历这一建模过程。

首先让学生熟悉认识便携式倒立摆系统的结构及控制原理,然后运用“数、理、电”三方面的知识去分析对象的机理特性,并要求学生利用自身现有知识,并辅以相关文献资料,推导出系统数学模型的“雏形”。一般而言,推导出来的数学模型往往是非线性的,这使得学生无法利用课程知识去解决其控制问题。面对这样的问题,课程引入线性化的理论知识,此时学生需要建立理论知识与实际控制问题的联系,如寻找倒立摆系统的平衡点,如何在平衡点附近进行线性化,从而理解局部线性化、系统平衡点等知识概念。只有经历这样一个过程,学生才能抓住系统数学建模的本质及核心。

在线性模型的基础上引入系统状态空间描述的知识概念。依据往年教学经验,学生对“动态系统状态空间描述”中的“状态”的理解一直是现代控制理论课程教学的难点。在建立便携式倒立摆数学建模过程中,涉及的各个“状态”都是明确的物理量,学生对此抽象概念理解起来十分方便。此外,为进一步说明状态空间描述的不唯一性,要求学生围绕便携式倒立摆,选用不同的状态(或状态组合)建立其状态控制表达式,并以此模型,展开后续的课程学习。

同样的,在系统性能分析,控制器设计、MATLAB仿真设计等部分的教学中均可以“便携式倒立摆控制系统”为平台,设置一些相应的教学任务,从而使学生易于理解课程中的抽象概念,提高学生主动思维能力,拓展学生的动手实践能力,提高学生的就业竞争力。

4 结语

随着自动化技术广泛应用于居民生产生活的各个领域,控制理论类课程也受到信息技术类专业学生的青睐。本文结合民族院校特色,针对北方民族大学自动化专业控制理论类课程特点及教学现状,以便携式倒立摆控制系统为平台,基于任务驱动法,对其教学内容、教学方法进行了改革探索,教学效果良好。

参考文献

[1]邹伯敏.自动控制理论[M].北京:机械工业出版社,

2010.

[2]潘双来,邢丽冬,胡寿松.信号、系统与控制课程群建设[J].电气电子教学学报,2004,26(6):24-26.

自动控制类论文篇(2)

对于电气及自动化信息类专业学生来讲,控制类相关课程具有重要地位,主要包含“自动控制理论”、“现代控制理论”、“运动控制理论”、“仪表及过程控制”、“计算机控制”等相关课程。“自动控制理论”和“现代控制理论”课程是研究自动控制系统的共同规律,为自动控制系统的分析和综合提供基本理论、基本方法的一门专业基础课该课程,是一门重要的控制类专业的基础课,具有较强的理论性,对于工程实践具有重要的指导作用,因而受到人们的广泛重视。目前不只是控制类专业,越来越多的非控制类专业也都把自动控制理论作为一门重要的专业基础课来学习。但是“自动控制理论”、“现代控制理论”课程数学计算和理论分析比重大,是本科生遇到的最抽象、难度最大的课程之一,加之未接触专业课,没有具体应用的物理模型,仅以数学模型为基线讲,学生往往会认为“自动控制理论”与专业无关而无学习兴趣,这是多年来常规教学始终感到困惑的原因。而后续“运动控制理论”、“仪表及过程控制”、“计算机控制”专业课是以电动机为控制对象,以控制器为核心,以电力电子功率变换装置为执行机构,在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。如何讲授“强理论性”课程,使学生真正认识到学好理论可获得对电气信息类多门专业课的理论支撑,从而学好后续专业课程是教学改革的主要目的。需结合“自动控制理论”、“现代控制理论”专业基础理论课程与“运动控制理论”、“仪表及过程控制”,“计算机控制”专业课程的问题进行深入的分析与研究,从教学内容、方法及形式、教材建设、实践教学等方面进行全方位、多层次的改革探索和实践,将对教学质量和人才培养方面有明显效果。

本项目探讨了如何更新和重组控制理论相关课程的教学内容,保证教学内容的系统性、先进性和实用性,以适应形势发展的需要。提出如何学习和掌握这些课程,包含“自动控制理论”、“现代控制理论”、“运动控制理论”、“仪表及过程控制”、“计算机控制”等控制类课程的教学内容的一些方法和措施。

一、教学内容、方法及形式改革

1.教学设计

近年来,不断更新观念,压缩精简陈旧过时的教学内容,加强现论及现代方法的内容,很好地解决先修课程和后续课程的衔接问题,避免内容的重复,进一步优化课程体系。建立一套适应性强的包括理论讲授、计算机辅助设计、实践教学和强化训练等方面在内的全方位教学新体系。

2.教学方法

将课堂教学、实验教学、课程研讨、网络教学等有机地结合起来,并充分利用多媒体教学手段提高教学效率、创造视觉的新感受、激发学生的学习兴趣和热情。内容取材时,不仅体现控制理论课程内知识点之间的内在联系,还体现课程群之间的相互关系。

3.教学手段

在教学组织过程中,积极采用现代信息技术改进传统的教学手段,在多媒体教学、网络课程等方面努力探索。统一制作“自动化概论”、“自动控制理论”、“现代控制理论”、“运动控制理论”、“过程控制理论”、“计算机控制”电子教案和cai课件,并将授课课件在课程网页上,可供学生课余预习、浏览、复习等。另外,教学大纲、授课计划、实验指导书、学习指导以及教材和参考文献均可通过网络方便查阅。在课程开始即公布授课教师的信箱和电话号码等联系方式,密切授课教师与同学之间的联系,使学生有问题可及时获得老师的辅导答疑,也可通过网上答疑相互交流,打破班级与时间的束缚,在平行班级中实行听课和答疑共享。

4.教学改革与教学研究

精简教材和教学内容,教学组定期进行集体备课,加大对该课程与前后各门课程之间的衔接研究,避免内容上的重复,使其与其他相关课程融合为一个有机的整体。建设可用于大多数工科专业的“控制理论”平台课程。不断改进和完善本课程的新体系结构,充分体现其基础性、应用性、前沿性和系统性;配合新的教材和课程体系,研究并建立配套的新实验体系,强化自主性、设计性、综合性和创新性;以matlab软件为基础,构造开放式小车倒立摆综合实验平台,将分析、设计、仿真、虚拟实验、模拟实验融为一体;开发先进的多媒体课件,将matlab平台和虚拟实验融入到教学过程中,使教学更为直观生动,更具趣味性和吸引力;完善了课程网站,完成了课程辅助教材的修改和编写,各类题库建设、网络统计功能、远程教学管理系统、虚拟实验内容的扩展及网络版的开发等;使其真正成为学生自主学习、师生互动、双向交流的园地;教考分离,采用试题库出题,统一考试,流水阅卷,考后进行详细的试卷分析。

二、实践教学改革

实践性教学环节是学生能力培养中的重要环节。工科学生除要掌握一定的工程技术知识外,还要有较强的实际动手能力。

1.改革实验课教学,建立体化实验教学体系

实验教学是“控制理论”课程的重要组成部分。通过实验不仅能够培养学生分析问题和解决问题的能力,验证所学理论,而且对所学内容能够提出一些新的见解。为了适应教学改革的需要,在实验室建设方面的指导思想是:将传统的模拟实验与matlab环境下的仿真实验相结合,将基础理论验证类实验与自主型、综合型、设计型实验相结合,将基本实验与创新实验相结合,建立一个立体化的实验教学体系,从而满足不同阶段实践教学的需要,为激发学生的创新意识提供硬件平台。

由于实验课内容和形式的多元化,大大激发了学生做实验的主动性、积极性和创新性,学生可以通过预约或上网自主地开展多项实验,进行理论验证、性能分析和综合设计,对提高学生的实践能力和本课程的学习都将起到良好的作用。

课程组织形式与教师指导方法,对于教学大纲规定的必做实验,由任课教师和实验教师共同指导完成;对于设计性、综合性、创新性实验,学生自己利用课余时间完成,可以预约指导教师给予宏观上的指导。

2.积极开展大学生科研实训活动、参与教师科研项目

引导学生积极参加大学生科研实训项目,吸引有兴趣的学生参与教师的科研活动,培养学生严谨的科学态度、创新意识、创业和团队合作精神,提高学生初步的科学研究能力以及工程实践能力,培养学生获取知识及撰写论文的能力。

三、控制理论专题授课方案

根据“自动控制理论”、“现代控制理论”、“运动控制理论”、“仪表及过程控制”课程大纲的要求,在适当时候,以某一专题讲座的方式授课。将各种教材进行比较、处理、揉合,组织成各个专题,以高质量、高水平、高效率来达到最佳教学效果。由于专题授课具有综合性、整体性和探讨性,使其信息量得以加大,知识在综合和分析中得到延伸,既提升授课内容,使之浓缩为精华,又吸引了学生的注意力和参与兴趣。

四、应用现代教育技术

开发研制了计算机辅助教学课件。教学课件以教材为蓝本,包含简明、清晰的授课讲义、重点、难点、例题演示、控制系统计算机仿真和控制系统分析计算等内容,既有课本内容的直接再现,又增加很多有助于讲解理论和计算方法的表现手段。课件以计算机为载体,既可用于课堂教学,又可通过上网,供学生进行自学和课后复习使用。控制理论的分析方法有很多图解法,如频域分析、根轨迹法、状态空间法等。利用计算机强大的计算能力仿真能力和丰富的色彩,可轻而易举地准确绘制出清晰美观的画面。采用动画技术后,图形的来龙去脉可用动态演示。计算机的图形演示与教师的讲授相结合,使教学内容形象化、具体化和生动化,增进学生的理解,提高学生的学习兴趣。

计算机仿真技术在实验教学中的应用为实验教学带来极大的方便。仿真实验具有建模方法简单、参数调整方便、结果可视性好等优点,克服常规实验内容单调、缺乏变化、元器件制约参数调整以及实验设备数量有限等不足。在教学中适当介绍并应用matlab软件,并设计出计算机辅助实验教学软件包,提供一个方便易用的图形用户界面,将matlab控制工具箱的相关功能集成一体。

网络教学平台开发。网络教学能真正体现学生的主体作用。在网络中,学生可以利用网络的交互性、检索性等特点来选择自己需要的内容进行独立学习。学生可以在任何时间进行自主学习,并且与教师在网上交流,探讨问题,在教学中发挥积极作用。

五、建立科学、有效的教学信息回馈

坚持洛阳理工学院本科毕业班所有学生中,实施“‘控制理论’相关课程的学习调查”制度。不定期进行相关问卷,包含这门课程是否易学、学习难点、学习方法、是否能学以致用等几个方面的内容,充分了解学生学习这门课的基本情况,为课程改革提供必要的依据,收到良好的效果。

六、结束语

在新世纪中,控制类学科将具有更加光明的前景,控制类研究内容将具有挑战性,研究的范围将更加广阔,电气自动化专业控制类课程的内容将不断地发展和更新,电气自动化专业控制类课程设置及教学内容改革研究也将进一步进行下去。

参考文献:

[1]王瑛.控制理论实验开放式教学的探索[j].实验室研究与探索,2002,

4(21):15-17.

自动控制类论文篇(3)

  改革开放以来,国家教委以学生的综合能力和素质为培养目标,对相关的课程进行了要求,电气自动化控制类课程需要培养学生的操作能力,这就需要对电气自动化控制类课程的实践教学进行一系列的完善。下面介绍了完善电气自动化控制类课程实践教学的几种方法。

一、加强实验室实践教学

电气自动化控制专业不但要求学生掌握相关的理论知识,还要求学生有实际的操作能力。电气自动化控制专业的实验环节都是单独设课。为了更好的学习电气自动化控制专业的内容,需要有高质量的实验教学,使学生完成动手实践的目的,实验时,需要将操作过程中的进行情况、实验成绩划入到电气自动化控制专业实验教学的最终成绩里,使学生的主动性增加,自己动手操作能力提高。在相关的实验器材方面,学校有条件的话,可以配备现代化的新型设备,使学生可以更好的学习电气自动化控制专业。通过电气自动化控制专业的实验操作,使学生的实践技能大幅提升。学校可以自己开发电气自动化控制对象的装置,根据现有的教育经费,收集一些不用的产品作为学生控制的对象,比如废弃的挖掘机、遥控汽车等。开发面向应用的电气自动化控制对象装置,使这种装置可以适用于不同的层次和专业的实验教学。用目前的教学模式二次开发,针对以前建立的实验室,还需购进先进的实验模型,比如四层电梯模型、立体仓储模型、八层变频电梯模型、机械手控模型等。它们通过单机控制。为了避免教学实验模型的闲置,可以利用这些教学模型研发物流控制系统和基于总线的电气自动化控制试验室。由于这些二次开发的教学模型和企业生产经营现场的控制差不多,使学生更好的面向企业实践,使电气自动化控制类课程教学质量上升。

二、进行电气自动化控制专业的整合

通过数据分析,电气工程专业、机电一体化专业、机械制造专业可以在电气自动化控制技术上进行整合,通过整合形成的电气自动化控制类课程可以进行一体化的教学,这样一来也优化了电气工程专业、机电一体化专业、机械制造专业的教学内容。根据教学大纲的要求,对电气自动化控制类课程进行重点、难点的圈注,选出适合学生实际掌握的基本内容,通过多媒体教学手段调动学生学习的积极性和兴趣,使学生可以更好的去理解电气自动化控制专业知识。

三、开发相应多媒体课件

在以往的教学中,受传统的古板教学方式影响,不能达到很好的教学效果。为了突出电气自动化控制专业的实践教学,可以选用图文并茂的多媒体教学,各类电器元件的功能和工作原理、PLC的组成和工作原理、各种复杂指令的应用是电气自动化控制专业教学的重点和难点。在进行电气自动化控制类课程的教学过程中,要结合好实际的案例和目前电气自动化控制专业的发展状况,充实课程的内容,使学生不断提高自己对电气自动化控制专业的实践动手能力。还可以在多媒体课件中添加动画、图片、视频等网络元素,使电气自动化控制专业课件变得生动形象,借此来提高学生的学习兴趣。比如在进行低压电器的特点结构讲解过程中,可以用多媒体动画的方式进行介绍,多媒体教学可以略去不必要的系统原理图,使电气自动化控制专业的讲解过程变得简单,多媒体教学手段在电气自动化控制专业中的应用也提高了教学效率。

四、强化教工教育意识

电气自动化控制类课程的实践教学,不单单要注重学生的电气自动化控制类课程的专业技能培训,还要注重学生的素质教育工作,要求老师认识到电气自动化控制类课程的实践教学对学生综合素质的要求,在进行电气自动化控制类课程的实践教学时要以学生的全面发展为中心原则,培养出既能掌握电气自动化控制类的技能知识,又具有综合素质的复合型人才。在电气自动化控制专业教学过程中,进行必要的电气自动化控制专业讨论,技术讨论不但要注重结果,也有可能讨论的过程比结果更重要。老师的总结评价是使技术讨论取得成果的重要保证。所以对于学生的回答,老师应做出激励性的,客观性的评价,对学生的讨论进行有效梳理,帮助学生处理解决电气自动化控制专业中那些有难度的或有争议的问题,使学生对电气自动化控制专业知识有一个清晰完整的认识,也要促使对原有电气自动化控制专业知识重新构建。老师要留给学生自己思考电气自动化控制专业问题的时间和空间,使学生将自己掌握的问题付诸笔端,让学生描绘在电气自动化控制专业讨论中获得的思想成果,反思自己处理问题的过程,从而使学生更能得心应手的处理在实践教学时遇到的各类问题。

总结:

在目前的情况下,电气自动化控制专业教学需要突破传统的古板教学模式,整合电气自动化控制专业的知识点,突出实践性、专业性的原则,重视电气自动化控制类课程的试验室实践教学,整合电气自动化控制类专业实践内容,采用现代多媒体技术进行实践课程讲解,提高教职工的教学素质,使学生具有综合的实践应用能力。

参考文献:

自动控制类论文篇(4)

中图分类号:TP13 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2013)02(a)-0066-01

于20世纪产生的相对论、量子理论及控制理论被人们认为是三项重要的科学革命,人们借助该三项理论实现着客观世界认识上的飞跃。随着控制理论与控制工程相关的理论研究工作的深入开展,其研究对象及应用领域也发生着重大的变化,就我国的教育部所进行的学科的设置及分类中,将控制理论及控制工程设置为控制科学与工程下的二级学科,学科核心便是控制理论,推动着我国控制理论与控制工程在科学研究领域的发展。

1 控制理论与控制工程的产生及发展

控制理论作为对社会发展具有重要影响意义的学科,其产生起源可上溯至十八世纪发生在英国的技术革命中,瓦特在蒸汽机的发明之后,将离心式非锤调速器的相关控制原理应用于蒸汽机转速的控制中,开创出以蒸汽作为原动力的机械化格局,而之后的工程界逐渐的将控制理论应用于调速系统稳定性的研究中,通信技术和信息处理技术的高速发展,使得电气工程师们不断的研究出更为科学全面的控制系统分析方法,实现了控制系统的条件稳定性及开环不稳定性的分析研究,而控制理论的创始人于1948年所发表的控制理论的相关著作,就控制理论的相关方法所进行得阐述,推动反馈概念的应用并为控制理论的形成奠定下坚实的基础。

在科技的不断生产发展中,基于控制理论与控制工程的控制技术也在不断的完善,尤其是在计算机技术的不断推动之下,控制理论与控制工程拥有着更深入的发展。就控制理论与控制工程的整体发展历程而言,可大体上划分为三个主要的阶段,其中第一阶段为20世纪的40至60年代,是古典控制理论的形成及发展时期,主要进行进行单输入及单输出问题的解决,多采用以频率特性、传递函数及根轨迹等作为基础的频域分析法进行系统的研究,而主要进行研究的系统是线性的定长系统,进行非线性系统分析的过程中所选用的相平面法要求变量不能超出两个,该控制理论可实现生产过程中的多种单输入单输出类问题的有效解决。第二个阶段为20世纪60年代到70年代的现代控制理论的形成与发展阶段,该阶段已经步入空间技术时期,控制工程也向性能更高的方向上发展,数字计算机的配合应用,实现了分析设计及实施控制,但时变、多输出多输入及非线性等较为复杂的系统控制内容使古典控制理论呈现出局限性,而最优控制方法在该阶段中提出,使现代控制理论更为完善。第三个阶段是20世纪70年代到目前为止的大系统控制理论及智能控制理论时期,其中大系统控制理论是控制理论就广度上的扩展,利用控制及信息的相关观点进行大系统其结构方案及总体设计,进行的是分解方法及协调处理的相关基础性技术理论的研究;智能控制理论是控制理论就深度上的扩展,进行人类智能化活动、控制信息传递的规律等的研究,并就仿智能化的工程控制系统及信息处理系统等进行研制。

2 控制理论与控制工程的应用

在进入21世纪以来,以计算机技术、通信技术及控制技术为典型代表的IT产业的发展及普及中,核心是计算机技术,关键是通信技术,而基础是控制技术,使得控制学科逐渐的发展成为基础性的科学,控制系统与控制工程中的系统结构、系统稳定、反馈调节及智能系统的相关思想及理论,在自然学科下的多种科学领域获取广泛应用的同时,在人文等学科中也有着广泛的应用体现,基于该现象,某些专家甚至指出控制理论与控制工程已不再是单纯的学科,已逐渐的发展成为较为全面和系统的世界观、方法论。控制理论与控制工程所具有的显著特点是,某些基本的概念同时具有着普适性及独特性。在控制理论与控制工程的应用中,两个概念是应用的关键及核心,首先是系统概念的应用,在当前社会的发展中系统问题已变得非常重要和突出,尤其是全社会范围内所进行的复杂性系统及复杂性科学课题的研究及应用,这是控制理论在现代科学中应用的必然发展,应用控制理论不仅要进行结构及性质的分析,还要进行系统运行状态的调控;其次是反馈概念的应用,这是控制理论区别于其他的学科及控制理论的应用区别于其他的理论应用的关键,反馈使得控制系统在较大的程度上具备人类智能的诸多特点,可以实现控制系统在实际的应用过程中结构、参数及扰动等因素的不确定性给控制系统造成的影响,例如远距离通讯设备、进行隧道扫描的显微镜等具体的工程设备。

在控制理论与控制公工程的应用中,最优控制是现代化的控制理论非常核心的内容,利用最优控制所进行的研究是在满足相应的约束条件时,就最优控制策略进行寻求,进而取得性能指标的极大值或者是极小值,最终使控制系统在性能指标上可取得最优化效果所必须采用的基本条件及综合方法,即就受控的运动过程或动力学系统,从多个可选择的控制方案中寻求最佳的方案,从而使系统在运动状态由初始状态变为指定的目标状态时可以取得性能指标的最优化。在控制理论与控制工程的应用中,较为典型的两个标志性的研究方法便是PDI控制器及Kalman滤波器,这两个方法已经被成功的广泛应用于较多的实际系统中,但所开展的系统的稳定性及最优性都是就线性模型的证明,实际上这两种方法还可应用于一大类非线性系统的证明,相关的研究人员利用基于控制理论与控制系统的反馈机制所进行的定量研究工作就是围绕着这两种标志性方法。在现实生活中控制理论及控制工程最为典型的应用便是水槽内水位的控制及电加热器中的温度控制,该典型应用中的自动控制是利用自动化的高度及温度测试仪等进行预期的测控目标的实现。自动控制系统是为实现控制目标由被控制对象及自动化的仪表所组成的闭环系统,控制系统按照结构形式可分为开环控制系统、闭环控制系统及复合控制系统,三类不同的系统在具体的需求下都有着广泛的应用。

3 结语

控制理论及控制工程随着理论及支撑技术的不断完善,逐渐的由工农业及交通运输等较为传统的产业,向生物、信息、通讯、管理等较为新颖的产业中延伸,也必将在社会的发展中获取更广泛的应用。

参考文献

自动控制类论文篇(5)

中图分类号:F01,G642.0 文献标识码:A

文章编号:1004-4914(2014)08-247-02

一、背景

控制理论课程群包括自动控制原理、计算机控制技术、现代控制理论、智能控制技术等专业基础理论课,重点研究自动控制系统的一般规律,包括控制系统的模型建立、系统分析、系统设计的基本理论和相关技术。其特点是概念多、抽象,理论分析和数学计算比重大。在讲授过程中,若不注重教学理念、方法和手段的改革,就会让学生感觉似乎在学一门“数学”课{1}。特别是在以信息化带动工业化的进程中,信息技术日新月异,作为电气信息类本科专业重要基础的控制理论类课程教育如何应对,如何讲授好“理论性强”的课程?让学生不仅仅学习、掌握好基础知识、基本理论和基本方法,更应该注重应用知识的能力与创新思维的培养,这也成为自动化及其相关专业教育研究和改革的重点。

针对于此,国内外很多高校对控制理论类课程的教学改革进行了积极的探索。{2}{3}其中,将“项目驱动”引入控制理论教学是教学改革的一种大胆尝试,“项目驱动”教学法也成为近年来控制理论课程教学研究的热点之一。{4}{5}

二、“项目驱动”在控制理论课程群中的教学改革实践

项目驱动教学法是以项目任务为教学单元、通过完成项目来开展的一种教学方式。“项目驱动”教学法将传统的学科体系中的知识内容转化为若干个“教学项目”,围绕着项目组织和开展教学,使学生全程参与,体验、感悟、论证和探究。{6}黑龙江科技大学自动化专业是黑龙江省重点专业,专业教学组历来非常重视控制理论课程群的教学改革。多年来教学组以“面向工程、项目驱动,夯实理论、能力培养、全面发展”的教育理念为指导,着力对控制理论课程群的课程体系,教学模式、教学内容、考核模式和成绩认定方式等方面进行了多方位的深化改革。建立了现阶段符合本校特色的“项目驱动”模式下分层分类的控制理论课程群的课程体系,充分把学生转为学习的主动体,提高学生自主学习能力、实践操作技能和创新应用能力,使学生具备在控制领域和相关工作中的工程应用能力,促进学生个人发展,为社会用人单位培养应用性和适用性人才。

1.科学合理地选择项目。项目要和生产或生活实际密切联系,具有探索的价值。项目所涵盖的理论知识要能够反映课程教学内容。项目的难度要适中。项目太简单,学生会感到乏味,没有兴趣;项目难度太大,不仅会超出课程教学要求,还将打击学生学习知识的信心和积极性,产生消极影响。学生通过翻阅资料、调查研究、总结分析等提出自己的观点,要求这些观点具有创新性,不能抄袭别人的观点,学生完成作业的情况最后要和该学科的考试成绩挂钩。授课教师要认真控制理论课程的教学内容和教学目标,深入分析教学内容和目标,并结合学生的能力水平,精心选择合适的研究项目。例如,自动控制原理部分的教学,选择了“永磁式直流电动机PID闭环调速控制系统”项目设计。该项目要求利用电阻、电容等无源器件和运算放大器等有源器件搭接针对固定被控对象的PID控制器,并根据计算出的性能指标分析系统的控制性能。项目涉及了控制系统建模、系统分析及系统校正等方面的知识,完全可以覆盖教学内容,且难度适中,学生兴趣很大。

又如计算机控制部分的教学,选择了“毕杯”全国大学生电子设计创新大赛题目――“自动循迹小车控制装置设计”项目,要求用数字PID、最少拍控制等算法完成控制任务。对大滞后被控对象的控制,我们采用“某热电厂二级锅炉汽包温度控制”项目,通过设计Smith预估补偿器、达林算法控制器等验证控制算法的有效性。为降低设计的难度,可将部分项目采用Matlab仿真的方式说明设计方案。设计较好地覆盖了课程教学内容。学生感觉通过努力可以完成工作, 应用效果较好。

2.优化构建“项目驱动”模式下分层分类的课程体系。实施“项目驱动”教学必须合理调整现有的课程体系,构建从简至繁,从基础到应用的分层分类的课程体系,否则学生会感觉无从下手。“分层分类”的课程体系是将“项目驱动”按课程性质及学生类型分为三个层次,层次一:控制理论基础通识教育;层次二:面向专业的控制技术教育;层次三:拓展学习与创新能力教育。每个层次都有其基础教学内容和目标,形成一个完整、独立的控制理论课程体系。课程设置如表1所示。

3.针对不同课程层次改革课程教学模式。“项目驱动”教学法是一种探究式教学方法,根据建构主义学习理论,学生掌握知识不是通过教师传授得到的,而是学生在一定的情境下,借助老师和同学的帮助,利用必要的学习资料,通过意义建构方式获得的。{7}因此,必须改革以往的“填鸭式”教学模式,让学生自己去构建仿真、实践系统开发的知识框架,才能真正掌握知识,形成能力。

(1)第一层次课程。第一层级课程主要针对刚入学的新生开展教学,因此教学中可采用“课堂理论教学为主,项目仿真为辅”的教学模式,重点内容精讲精练,目的是夯实控制理论分析和设计所需的数学基础,熟练运用控制理论分析仿真和设计工具,根据项目任务要求,学生将所学数学知识利用MATLAB仿真的形式完成项目的数学建模、性能分析、项目设计等过程,最后由教师对项目效果进行验证。

(2)第二层次课程。在教学设计上,把项目实验实习贯穿于整个课程的教学过程中。采用“项目导学+理论研究+仿真、实践助学”三位一体的教学模式。所谓的项目导学,就是使学生接触一个典型的研究项目,让学生带着问题学习所需的控制理论,明确项目任务、设计方案后,循序渐进地过渡到实验仿真及实践操作过程中。例如,在现代控制理论教学中,可引入倒立摆控制案例,教学前引导学生思考“如何设计控制器使一阶倒立摆能保持平衡?”在该项目驱动下学生将学习和理解建立状态空间模型,状态空间求解、可控性、可观性、李雅普诺夫稳定性判据,极点匹配、状态观测器设计等相关知识。在理论分析的基础上,利用MATLAB控制系统仿真工具箱LTI进行项目验证。有能力的学生还可以到部级精品课教学基地――电气工程实践基地中现场设计和调试倒立摆控制器。

(3)第三层次课程。对于已经完成第一、第二层次课程的学习、具备了一定专业理论基础的学生,应将第三层次课程的教学由课堂内拓展到课堂外,可采用基于“课堂+机房+实践基地+网络”的立体化教学资源的混合式教学模式,满足起点不同、学习方式不同、学习能力不同的各专业、各层次学生的学习需要,提高学生自主学习的能力、创新应用能力、协作学习能力与自我管理能力,可进一步保障和提高课程教学质量。

4.改革课程考核与成绩认定方式。考核方式采用单项考核与综合考核、形成性考核与终结性考核相结合的方式。学生成绩包括平时学习纪律、职业道德、学习情境考核、理论考试等方面。课程性质不同,考核方式也可以不同。

考试课:增加项目设计在总成绩中的比重,课程成绩=笔试成绩+项目设计成绩;选修课:选择性考核,对于设计能力强的学生可采用“项目设计+答辩演示”的方式,“以评代考”;对于理论基础比较扎实的学生可参考考试课成绩评定方式改革。课程免修:素质高,能力强的学科可将技能竞赛成绩、参与导师科研情况与课程成绩结合,采取自愿申请参加课程免修通过考核,以竞赛成绩、参加科研表现作为考核的依据。

三、项目驱动教学法的实施效果

几年来,控制理论课程群课题组通过在授课过程中实施“项目引导、任务驱动”教学改革,取得了较为满意的效果,控制理论教育教学质量有了明显的提高。以黑龙江科技大学自动化专业为例,课题组在自动控制原理、现代控制理论、计算机控制技术等课程中分别引入了“电阻丝温度自动控制系统设计”、“一阶倒立摆控制器设计”、“煤矿井下通风机变频控制系统设计”等十余项工程项目。在此过程中,学生自觉地参加到教学中来,从任务的理解,资料的收集,问题的分析和解决,学生都能独立思考和独立工作,而后再小组讨论拿出解决方案。学生从原来的不敢发言到现在的主动发言,学生从被动学习变为主动学习,同时提高了搜索资料能力和自学能力。既巩固了项目研究所需的控制理论知识,又激发了学生的钻研精神。在2013年“瑞萨杯”全国大学生电子设计竞赛中,我校自动化专业选送的参赛队伍共获国家奖3项,省一等奖8项、二等奖5项、三等奖6项。竞赛获奖率在获奖的17所省内院校中排名第一,总成绩全省排名第二。在全校评选的10篇电类专业优秀毕业设计论文中自动化专业优秀毕业设计4篇,占总数的25%。可见,这种教学模式不但使学生深刻理解控制理论的知识内涵,提高理论联系实际、动手操作和解决实际问题的能力,而且有利于毕业生提前进入科研或工作状态,直接独挡一面地承担科研或工作任务。毕业生深受用人单位欢迎,就业率在黑龙江省一直处于首位。

四、结论

“项目驱动”教学法创造了学生主动参与、自主协作、探索创新的新型学习模式。通过在课程中实施“项目驱动”教学法,不但巩固了学生的控制理论专业基础,而且让学生接受工程和团队工作的实际训练,提高了应用专业理论知识解决实际问题的能力和创新能力,探索出了控制理论教学的新模式。

[基金项目:黑龙江科技大学校内科学研究基金项目,课题名称:“项目驱动”教学法在控制理论课程群教学中的改革探索(项目编号:JY13-21)]

注释:

{1}李昌春,韩力.自动控制原理课程建设的体会与思考.电气电子教学学报,2010(2):74-78.

{2}赵可外.国外大学实践教育的理念与实践.国教育研究,2005(11):33-38.

{3}李东旭.对斯坦福大学的课堂教学模式的思考.高等教育研究学报,2000(4):81-82.

{4}梁晓明.项目驱动在《过程控制技术》课程中的应用.科技信息,2010(28):215.

{5}张正强.现代控制理论课程的教学探讨.电气电子教学学报,2009(31):31-32.

{6}傅四保.建构主义学习理论指导下的项目教学法初探.中国大学教学,2011(2):56-58.

自动控制类论文篇(6)

中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2014)21-0016-02

自动控制原理是高校电气信息类、控制类、机械类等许多专业的一门理论性和工程实践性均很强学科基础课和必修课。它在工农业、电气信息、机械、航空航天等工程学科中都有非常重要且广泛的应用。[1,2]

该课程通过讲解以传递函数为基础的经典控制理论知识,使学生掌握与控制系统相关的概念、原理和方法,分析系统和控制器设计等知识,达到培养学生对控制系统的分析、设计、工程实践、综合应用和创新等能力。因此,自动控制原理必须执行理论教学与实践训练并重的教学形式。这些特点很容易导致教师难教好、学生难学好的困局,并且较好的教学效果难以通过传统的教学方法和教学模式来保证。

本文将针对自动控制原理课程当前教学过程中存在的主要问题以及该课程的特点,从理论教学、实践教学、考核与评价三方面探讨教学改革的思路及措施,充分调动教师和学生两方面的积极性,促进教学质量的提高。

一、自动控制原理教学改革的必要性

1.教学内容的现状

自动控制原理在一定程度上反映了由机械化步入电气化,继而走向自动化、信息化和智能化的时代特征,内容涉及机械、电气、信息等多个学科。因此,许多学者综合考虑各学科特点、培养目标及背靠行业的差异,编撰了适用于不同层次和不同专业的教材。但由于自动控制理论的本质是研究系统状态的变化规律和改变这种变化的可能性和方法,致使各教材虽在视角、编排、表达描述和例题上存在这样或那样的差别,但核心内容都是围绕控制系统的分析和设计问题展开的。[3,4]

2.就业因素的影响

现在就业市场竞争异常激烈,对于工科学生,工程实践能力和动手操作能力是招聘单位最看重的。而自动控制原理偏重于理论分析,不像其他的软件和硬件课程一样,能给学生编程和熟悉硬件那样以直接的指导。实际的自动控制系统一般较复杂,学校受现行的教育模式的影响、资金和场地的限制等原因,难以具备真实系统级的实验教学设备,基本上以较简易的实验教具充当实践教学,而使得学生关注的只是自动化设备的零部件构成和组合布置,造成实践环节不能被学生正确认识和高度重视,导到学生动手能力不强。

从上面的分析可知,学生要学好该课程,要有扎实的数学、电路、机械、电气等相关知识,和需具备较强的分析和计算能力。若学生基础知识不扎实,则较难理解各学科间的内在联系。且现行教学模式中绝大部分是重理论轻实践,教学方法也采用灌输填鸭式较多,使学生只是背概念,抄笔记,记公式,而没去启发学生思考数学公式与实际工程系统的内在物理联系,工程系统的互动讨论也少之又少。这使得学生普遍认为课程的内容枯燥而抽象,难以深刻体会数学公式和图表背后的物理含义,导致学生普遍学习热情不高,部分基础不好的学生厌学情绪较重。加上受“读书就是为找个好工作”的功利主义思想影响,自动控制原理给人以内容抽象、不实用的感觉,只有部分考研或对自己要求比较高的学生有较高的学习积极性。因此,笔者认为自动控制原理教学改革需从理论教学、实践教学、考试与评价等几方面进行。

二、自动控制原理教学改革措施

1.理论教学

(1)精炼课堂教学内容。在保证课程内容的严密性、完整性和系统性的基础上,精选教学内容。便于学生更好的理解、掌握和应用自控原理和方法,对教学大纲中规定的重点概念、定理、方法和结论要讲深讲透,而大纲中规定的了解性内容和使用较少的内容,略讲或不讲。在讲解过程中,重点讲思路、结论和应用,除重要的推导步骤之外,弱化数学推导和证明,不至于让学生形成学控制就是学数学的感觉,重在展示该课程工程化的一面。只有强化了控制思想,才能让学生自己在控制器设计时灵活运用而不是生搬硬套,提高分析和设计能力。[5]

同时,要适时结合当前工农业,航空航天、汽车船舶等领域中最新应用的自动技术和最新科研发展动态更新到教学中。不断丰富课堂教学的例子,开阔学生的视野,生动课堂,以至保持自动控制原理课程教学内容的先进性。[6]

(2)分层次教学。根据培养目标、教学对象、专业层次的不同,可以进行分层次教学以缓解不同学生需求和专业培养目标不同的矛盾。

第一层是核心内容,是要重点掌握的内容,主要包括控制系统分析与综合的基本概念、原理和结论。这一层次要重点讲解,并通过课内外大量的习题加以强化,让学生做到知其然,又知其所以然的程度。

第二层是一般了解掌握的内容,该层次的知识采用注重结论、突出应用、简化推导的教学模式,重点达到让学生会应用的程度,或应用时能找相应的结论即可,节省课上学时。

第三层为重点难点拓展内容,这部分知识具有一定的难度和深度,主要满足考研和对自己要求较高的学生的需求。教师只利用15分钟在章节的小结中找出与考研相关的知识点或类型题,而不花过多时间在课上讲解,重点引出解题思路,进行课后扩展作业练习,以充分调动学生的积极性。

分层教学中,教师应相应地把作业分成两类:第一类是所有学生都必须做的普通作业,主要训练基本知识;第二类是学有余力的学生选做的扩展问题,主要包括课内没有讲过的具有一定深度的考研题和应用问题,起到扩展知识深度和广度、培养创新能力的作用,增强了学生的学习兴趣、应用能力和考研自信心。[7]

2.实践教学

(1)强化学生的工程意识。自动控制原理重在阐述原理和方法,虽与电路、机械、力学、数学等有着紧密联系,但自动控制不是对电气或机械系统的简单抽象,也不是单一的数理逻辑推导。在教学中,应选取工程实际对象,站在理论结合应用的角度,运动自控方法解决分析和设计问题,不断提高学生的实践能力,强化工程意识。首先,教师可利用计算机多媒体技术表现力强、具有图文并茂的特点,用形象生动的动画展示一些简单的控制系统,这不仅能使学生易于理解概念,熟知控制系统的各环节,还能明确认识整个控制过程。其次,在相关章节结束后,结合工程背景补充讲解一些大题目,以强化工程意识、激发学习兴趣、感受自动控制的魅力,达到学以致用的意义。[8]

(2)优化课程实验。通过结合实际系统,优化课程实验,培养学生设计实验能力和动手操作能力,以及查阅文献能力和综合解决问题能力。由于将MATLAB软件引入实验教学能取得良好的效果,因此实验分成通过计算机模拟仿真和实际设计两个阶段。

仿真阶段:引导学生运用Simulink独立设计某些具体的控制系统并进行仿真,验证理论知识。仿真的重点是给定性能指标,让学生独立制订控制方案、选择控制单元、设计控制器、绘制控制图纸、编制说明书、模拟工程设计的全过程,并将通过仿真检验设计效果。

动手操作阶段:学生通过仿真的锻炼,在条件允许的情况下,适当结合一些具体控制装置,进行实践操作。本阶段只提实现目标和要求,不提供实验电路图、步骤和说明,学生可根据个人实际情况自主选择不同难度等级的实验,但必须独立完成控制方案设计、搭建控制系统并完成调试,记录原始数据和绘制图形,写出实验报告。

通过仿真和动手操作这两方面的训练,巩固了理论知识,极大地调动了学生的学习自主性和积极性,激发学习热情,培养独立思考能力和动手能力,提高观察、分析和解决问题的能力。[9,10]

(3)以科研促进教学。虽然教学是高校的基本职责和功能的体现,但科研是高校中不可或缺的重要组成部分,特别是现代高校,教学和科研相辅相成,两者不可分割。

近几十年,数学和计算机的发展对自动化控制原理起到了巨大的推动作用,甚至毫不夸张地说,当今的控制理论是利用计算机运用数学原理对工程实际作用的前沿结果。因此,在教学中适当地介绍一些相关科技领域的新动态、新成果,能使学生了解当前学科发展动态,拓宽知识面,极大激发学生的学习兴趣。在条件允许的情况下,挑选一些成绩好、能力强、有科研兴趣的学生参加到老师的课题中,指导学生参与科研,为学生的科技活动提供一些项目。这样,既能调动学生的积极性,增强创新意识和创新能力,还能为学生开展科技竞赛活动的打好基础。通过参与科研,学生提高了学习兴趣和求知欲望,促进了教学和科研相互发展的效果。

三、考核与评价

科学的考核与评价方式,是引导学生全面发展,培养学生综合能力和真实反映学习效果的重要措施。因此,笔者进行了改革:最终成绩包括平时成绩(占40%)和期末成绩(占60%)两部分。平时成绩包括考勤(10%)、平时作业(20%)、课程实验(10%)。加强平时学习严格要求学生,注重教学过程管理,改变传统的一考定终身的评价制度。

具体实施细则为:考勤成绩不及格的(>6分),取消其课程资格,必须重修;作业不及格的(>10分),作业记零分;实验旷课累计达4学时的,实验记零分。期末成绩采用闭卷形式,考试内容要覆盖课程的基础概念、原理、方法、技能,以及综合分析和设计问题,检验学生解决问题的能力及综合素质。这样处理,有助于引导学生主动学习,促进形成好的学风,改善学生的成绩。[11,12]

四、结束语

自动化控制原理是电气信息类专业的一门非常重要的必修课,而当前的现状是自动控制原理教学内容和教学形式的原理、方法讲解得多,缺乏工程应用性的特点,现在学生的自主学习能力普遍有所下降。为了激发学生的学习兴趣,提高学生的素质,达到学以致用的目的,笔者提出从自动控制原理课程的理论教学、实践教学、考核与评价等方面对自动控制原理课程提出了教学改革,让学生能够更好地学习、掌握和应用自动化控制原理知识。

参考文献:

[1]刘灿,王文炜,龙祖强,等.《自动控制原理》课程教学改革的探索[J].衡阳师范学院学报,2011,32(3):166-168.

[2]刘丙友.“自动控制原理”课程教学改革与探索[J].中国电力教育,2011,(4):62-63.

[3]胡寿松.自动控制原理[M].第五版.北京:科学出版社,2007.

[4]余成波,张莲,胡晓倩.自动控制原理[M].第2版.北京:清华大学出版社,2009.

[5]林剑辉,赵燕东,王海兰.高等农林院校工科专业“自动控制原理”课程教学改革的探讨[J].中国林业教育,2009,(27):24-26.

[6]包建华.自动控制原理课程教学改革探索[J].科技信息,2008,

(25):500.

[7]张明君,崔杏利,梅彦平,等.多目标的“自动控制原理”课程教学实践与成效[J].中国电力教育,2009,(14):134-136.

[8]李润生,姚颖.自动控制原理课程教学改革与实践[J].辽宁科技学院学报,2010,12(3):63-64.

[9]秦怀宇.自动控制原理课程教学改革与实践[J].中小企业管理与科技(上旬刊),2011,(11):237-238.

[10]张栋.自动控制原理实验教学改革探索与实践[J].实验室科学,

自动控制类论文篇(7)

中图分类号: 文献标识码:A文章编号:1007-9416(2010)01-0000-00

1 交流调速系统的概况

1.1 交流调速相关技术的发展现状

交流变频调速技术发展和许多技术的发展密切相关,涉及到电动机制造、电力电子器件、变换器电路、电子信号处理技术、古典和现代控制理论、计算机辅助设计等众多学科领域;交流高性能调速的实现有赖于电力电子技术、PWM变频技术、电机控制等核心技术的突破。

1.2 变频调速系统的类型

按变频原理分:(1)交―交变频(2)交―直―交变频

按拖动电机的类型分:(1)异步电动机变频调速系统(2)同步电动机变频调速系统

2 智能控制简介

2.1 智能控制概念

在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。对许多复杂的系统,难以建立有效的数学模型和用常规的控制理论去进行定量计算和分析,而必须采用定量方法与定性方法相结合的控制方式。定量方法与定性方法相结合的目的是,要由机器用类似于人的智慧和经验来引导求解过程。

2.2 智能控制的主要技术方法

智能控制是以控制理论、计算机科学、人工智能、运筹学等学科为基础,扩展了相关的理论和技术,其中应用较多的有模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗传算法等理论和自适应控制、自组织控制、自学习控制等技术。

3 三相交流异步电动机

3.1 结构组成

三相交流异步电动机由于其结构简单、制造容易、价格低廉、坚固耐用以及运行可靠等优点,因此在工农业生产中应用最为广泛。虽然三相异步电动机的种类很多,但究其基本结构而言是一致的,主要由定子与转子两部分组成。

3.2 数学模型简析

异步电动机在三相静止坐标系上的数学模型是一个多变量、高阶、非线性、强祸合的复杂系统。坐标变换的目的就是要简化数学模型,将交流电机的物理模型等效地变换成类似直流电机的模型,分析和控制问题就可以大为简化。

4 基于模糊控制的转速调节器研究

4.1 模糊控制简介

4.1.1 由来与概念

模糊技术的由来应追溯到1965年,美国控制论专家L•A扎德提出了模糊集合理论,它为模糊技术的产生奠定了理论基础.1974年英国学者E.H马达尼首先在试验室里实现了对蒸汽发动机的模糊控制,从而出现了一种崭新的控制技术――模糊控制,简称模糊技术。

模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy Control),是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。

4.1.2 系统组成

模糊控制系统的建立是基于知识库、推理机制、模糊化和反模糊化。要实现语言控制的模糊控制器,首先把实际输入值转化为模糊集合的隶属函数,这一步称为模糊化。然后根据有经验操作者或专家经验制定模糊控制规则,并进行模糊推理,以得到模糊输出集合即一个新的隶属函数,这一步称为模糊控制规则形成与推理。最后根据模糊推理得到的输出模糊隶属函数,用不同的方法找到一个具有代表性的精确的真实输出值,这一步称为反模糊化。这三个步骤称为模糊推理过程。

4.2 模糊控制器的结构设计

对一个常规三维模糊控制器,输入为误差e、误差积累∑e、误差变化率ec,输出为u,如下图所示,h1、h2、h3、h4分别为比例因子。

一个完善的控制规则是模糊控制具有良好控制效果的关键。然而因为模糊规则是人们对过程或对象模糊信息的归纳,对高阶、非线性、大时滞、时变参数以及随机干扰严重的复杂控制过程,人们的认识往往比较贫乏或难以总结完整的经验,这就使得单纯的模糊控制在某些情况下很粗糙,难以适应不同的运行状态,影响了控制效果。

模糊控制器设计的基本方法和主要步骤大致包括:

(1)选定模糊控制器的输入变量与输出变量,并进行量程转换。输入量的维数最高一般不超过三维。维数增加,控制规则按几何级数增加。

(2)进行模糊化,即确定各变量的模糊语言取值及相应的隶属函数。模糊语言值通常选取3、5或7个。

(3)建立模糊控制规则或控制算法。这是指规则的归纳和规则库的建立,是从实际控制经验过渡到模糊控制器的中心环节,控制律通常由一组if-then结构的模糊条件语句构成。

(4)确定模糊推理和解模糊化方法。常见的模糊推理方法有最大―最小推理法和最大―乘积推理法两种,可视具体情况选择其一;解模糊化方法有最大隶属度法,中位数法,加权平均,重心法,求和法或估值法等,针对系统要求或运行情况的不同而选取相适应的方法,从而将模糊量转化为精确量,用以实施最后的控制策略。

4.3 模糊控制算法及实现

假设一个二维模糊控制器,输入偏差e的论域为[-x ,x ],偏差变化率ec的论域为[-x ,x ],输出控制量u的论域为[-y ,y ],模糊控制算法可概括为四个步骤:

(1)根据本次采样得到的系统输出值,计算所选择的系统输入变量。考虑到系统突加给定时,有可能使实际输入超出设计输入论域,可补充映射

e(k)= x ,当e(k)≥x 时e(k)=- x ,当e(k)≤- x 时

ec(k)= x ,当ec(k)≥x ,时 ec(k)=- x ,当ec(k)≤- x ,时

u(k)= y ,当u(k)≥y 时u(k)=- y ,当u(k)≤- y 时

(2)将输入变量的精确值转换为模糊量;

(3)根据输入变量及模糊规则,按模糊推理合成规则计算输出控制量

(4)将输入变量的精确值转换为模糊量;

(5)根据输入变量及模糊规则,按模糊推理合成规则计算输出控制量;

(6)由上述模糊控制量经解模糊计算得到精确的控制量。

5 结语

模糊控制与PID控制相比,能够有效地克服系统非线性因素对调速性能的影响,模糊控制特别适用于对电机加减速实行最优速度控制。对稳态精度要求不是特别高的系统,采用模糊控制可以提高系统的鲁棒性。

参考文献

[1] 陈伯时,陈敏逊.交流调速系统[M].第二版.北京:机械工业出版社.2005.

[2] 胡崇岳.现代交流调速技术[M].北京:机械工业出版社.1998.

[3] 陈佰时,冯小刚等.电气传动系统的智能控制,电气传动,1997年第1期.

自动控制类论文篇(8)

自20世纪60年代起,人们就开始对自动化学科进行深入的研究,半个多世纪以来,自动化技术水平得到了极大的提高,各种自动化技术被广泛应用在多个生产领域,为提高社会生产力做出巨大贡献。在21世纪这一信息科技时代,自动化水平的高低在某种程度上代表着一个国家的科学发展水平和经济发展水平,因此我们必须要认真正确的对待自动化学科的发展,合理分析其在未来发展中所面临的的形势,为抓住机遇,迎接挑战做好准备。以下本文中笔者就结合自己的理解,来探讨分析了自动化学科的本质和发展前景。

1 自动化学科的内涵

人们普遍认为物质、信息和能量是人类生存和社会发展的根本,是最基础的三种要素。而其中物质和能量却是有限的,若人类在发展中过度的开发和利用物质与能量,就会造成物质能量短缺,因此需要对其进行节约和保护。而信息则是无限的,并且随着人类社会的发展还将会以飞速增长的态势不断增加总量。尤其是近年来信息技术的快速发展,更是促使了信息获取能来、传播能力和处理能力大幅度增长,如何充分利用信息这一基本发展要素来促进人类社会更好发展就成为了目前人们最为关注的问题。而自动化学科则正是一门研究信息的利用问题的学科,其主要内涵是实现信息的自动控制。

所谓自动化科学技术,就是通过对信息获取技术、信息处理技术和信息决策控制技术的研究,来掌握自动控制信息的能力,并利用这种能力来促使信息为人类发展做出更大贡献。自动化科学技术在使用的过程中需要对人类、客观物理对象以及信息系统工具之间的关系进行合理处理,从而达到利用信息的目的。

在以往人们的传统观念中,大都认为信息化是促进信息技术和工业技术融合在一起的重要桥梁,这种理解认识的正确的,但却不够全面。其仅仅只是指出了信息化的某一方面的功能作用。如果按照信息控制论的观点进行分析,信息化又应该怎样去理解呢?

据控制论的理论创始人维纳的思想观点来讲,他认为所有的新学科如果是真正有生命力的学科,则其在长期的发展中必然会发生中心的转移。而在当前的信息时代中,人们就应该将对信息化的研究中心转移到最近十年的发展趋势中去。目前,信息科技发展正面临着新的机遇和挑战,在对自动化控制的研究中,我们更应该强调其控制的内涵,使其不但能够成为信息化与工业化之间的桥梁,还能为社会现代化、军事现代化等等领域的发展建立一个个桥梁,以此来促进信息化在社会发展中起到更深刻的作用。

因此,我们可以说,自动化学科的内涵是对信息的控制,这种理解和认识不但使信息化的使用领域更加宽广,而且也促使了信息化和自动化学科的融合统一。事实上,信息化和自动化学科是相辅相成的,例如在信息网络的建设中,就需要自动化学科来辅助去完成信息的自动控制。基本上所有的网络信息发展都离不开自动控制。因而我们可以这样认为,网络信息技术的发展为自动化学科提出了一定的挑战,但同时也为其发展带来了极大的机遇。

2 自动化学科的发展动态

中国学者为自动化学科的发展做出了突出的贡献。钱学森、戴汝为等提出的关于开放的复杂巨系统及其方法论,为复杂系统的建模、分析、运筹和控制等问题提供了理论基础和方法论依据;宋健、郭雷在世界大会上的报告,对我国学者的部分杰出工作进行了总结,并提出了新的方向。在学习和研究工作中,作者理解在20世纪自动控制领域的成果与应用成就的基础上,面向21世纪自动化学科的发展趋势为:

(1)复杂系统建模与发展:为了满足当前高新技术发展的需要,研究大规模复杂系统的建模与仿真工作已很迫切。这将涉及多层面、多分辨率的建模以及在聚合/解聚作用下不同分辨率模型间的平滑一致性转换、各种分析模型与知识模型之间的集成,以及在控制与决策过程中的优化调度与灵活运用。

(2)新型控制系统结构、方法与算法的研究:有关分布式分层递阶控制,非完全控制,可组态控制,进化控制计算法,自组织自学习控制,综合集成优化方法,智能化控制等。

(3)混杂控制系统理论与应用:该理论是近年来发展很快和倍受重视的研究领域,其特征是将离散系统和连续过程系统集成在一个框架结构内进行分析、综合与优化设计。反馈与优化仍是其核心主题,开展该系统的研究将涉及微分、代数、数学逻辑与时序逻辑、基于的分布式人工智能、网等多种学科。可以认为,混杂控制系统理论及应用是新世纪控制学界开辟的一个具有里程碑意义的研究领域。

(4)非线性控制系统理论及应用:它仍然是控制科学中倍受重视的领域,近几年来发展很快,已在构造性递归设计等方面取得重要进展。该系统未来的成功,将有赖于获取能提供清晰的简单模型,这对防止出现过于复杂的非线性控制器是十分必要的。

(5)微观控制或纳米控制技术的研究:随着制造业向纳米级微观层次发展,控制理论方法与技术应是这种新环境的需要,可以认为微观控制将是可实现及发挥其重要作用的高新技术。

(6)智能机器人系统:机器人-新时代人类的宠儿!近几年来已取得极大地发展,智能机器人是开创未来的工作者,它包含感知、思维和动作功能,此类人机交三技术,遥控自主、虚拟现实技术,仿生和微机器人是极有发展前途的领域。

(7)与智能制造系统:它在21世纪必将会有更大地发展,将硬件动态系统和混杂控制系统的理论及技术成果融为一体。

(8)大规模复杂工业过程智能化控制与决策:这种控制和决策一直受到控制学科和工业界的极度重视,包括动力、冶炼和大型化工生产过程等。对这类系统的优化控制应特别注意正在高速发展的计算机网络,环境资源和基于的分布式人工智能、计算机智能技术等。

结束语

自动化学科的研究领域在不断地扩展,其内涵也在不断地深化。传统的物质生产和生活领域仍然是自动化发展的主要推动力和应用领域;网络科学、生命科学等新兴领域为自动化的创新提供了广阔的舞台。从目前的信息科技发展现状来看,信息化的加速发展给自动化学科带来了新的挑战和更多机遇,我们需要进一步的完善自动化学科的理论基础,促使其更好的抓住机遇,迎接挑战。

自动控制类论文篇(9)

作者简介:胡志华(1980-),女,河南商丘人,华北水利水电学院机械学院,讲师;王瑞莲(1976-),女,河南南阳人,华北水利水电学院电力学院,讲师。(河南 郑州 450011)

基金项目:本文系河南省高等学校实验教学示范中心(教高【2010】1047-25号)资助的研究成果。

中图分类号:G642.423?????文献标识码:A?????文章编号:1007-0079(2012)21-0086-02

“自动控制原理”是电气类、信息类、机械类等专业的专业基础课,熟练掌握这门课程,是为专业课奠定基础。它是一门理论性较强的课程,课堂理论教学结束后需要进行实验教学。实验教学是理论联系实际的过程,是灵活运用课堂上所学理论知识的过程。但实验成绩的评定通常情况下是把每个学生所做的每个实验分数进行“和平均”得到一个最终的分数即为学生的总成绩,依此分数确定学生的实验成绩等级。基于对教学的改革,衍生了对成绩评定方法的优化研究。文献[1]把灰统计方法应用于创新型实验成绩的评定,但是该方法在确定学生的成绩为“优秀”或者是“良好”和“及格”与“不及格”时有争议,本文采用改进的灰统计的方法,用于确定自动控制原理实验的总成绩,使该课程实验成绩的最终确定更有理论依据,为教学成绩的确定提供经验。

一、建立灰统计模型

1.样本矩阵

每个学生做的自动控制原理实验个数n=8,分别为:实验1:典型环节的电路模拟与软件仿真;实验2:线性定常二阶系统的瞬态响应;实验3:线性系统稳态误差的研究;实验4:系统频率特性的测量;实验5:线性定常系统的串联校正;实验6:非线性系统的描述函数法;实验7:具有内部模型的状态反馈控制系统;实验8:采样控制系统的分析。

假设有m个学生,这m个学生做的n个实验成绩就构成统计矩阵D:

假设第m个学生的第n个实验分数属于统计灰类k,分为优、良、中、及格、不及格5大类,分别记为k1(优),k2(良),k3(中),k4(及格),k5(不及格)。

2.灰类白化函数

文献[1]中的白化函数定义如表1。从表1中可以看出,分数在[90,100]和[0,60]这两个范围内定义的灰类白化函数表达式为1,和其他范围分数段的灰类白化函数表达式定义不同,相比之下,对[90,100]和[0,60]这两个范围内得出的白化函数值要偏大,即容易把接近于“优秀”的“良好”得出“优秀”的成绩,容易把接近于“不及格”的“及格”成绩得出“不及格”的成绩,文献[1]中的算例也是这样的结果。基于这个原因,考虑采用表2所示的白化函数表达式。

3.计算k类决策系数nmk及综合决策系数nm

计算k类决策系数nmk:nmk为第m个学生属于第k个灰类的系数,公式如下:

其中为第m个学生第n个实验的成绩所提供的决策量白化值。

计算综合决策系数nm的公式如下:

k类决策系数nmk及综合决策系数nm计算结果见表3。

4.计算决策权

决策权rmk为第m个统计指标对灰类k的灰评估值,采用公式如下:

决策权向量表示第m个在不同统计灰类下的权。

5.判断灰类

若决策权向量中第k*个权rmk*最大,即:

则第m个指标属于第k*个灰类。

二、应用实例

假设某年毕业设计成绩样本如下表3。

灰统计计算结果如表4。

可见这5个学生的决策权向量:

由决策权向量即可得出这5个学生属于的灰类:

R1k*=max(r1k)= max(r11)=0.257,学生1的自动控制原理实验成绩属于k1灰类,即为优秀;

R2k*=max(r2k)= max(r21)=0.254,学生2的自动控制原理实验成绩属于k1灰类,即为优秀;

R3k*=max(r3k)= max(r34)=0.223,学生3的自动控制原理实验成绩属于k4灰类,即为及格;

R4k*=max(r4k)= max(r45)=0.232,学生4的自动控制原理实验成绩属于k5灰类,即为不及格;

R5k*=max(r5k)= max(r53)=0.226,学生5的自动控制原理实验成绩属于k3灰类,即为中等;

R6k*=max(r6k)= max(r64)=0.217,学生6的自动控制原理实验成绩属于k4灰类,即为及格;

R7k*=max(r7k)= max(r74)=0.218,学生7的自动控制原理实验成绩属于k4灰类,即为及格;

R8k*=max(r8k)= max(r82)=0.232,学生8的自动控制原理实验成绩属于k2灰类,即为良好。

三、分析与比较

“改进和平均”方法就是把每个学生的8个分数去掉1个最高分和最低分后平均,对这8个学生8个成绩采用“和平均” 、“改进和平均”、“灰统计”和“改进灰统计”的方法得出的成绩的等级进行比较,如表5。

由表5知,采用文献[1]中的灰统计方法得到的学生成绩等级与用“和平均”和“改进和”平均方法得到的成绩等级基本相同,但是“学生3”的成绩用这两种方法区别较大,和平均方法“学生3”的成绩评定等级为“及格”,而用灰统计方法得到的成绩是“不及格”,采用“改进灰统计”方法得出的成绩等级也是“及格”。另外,按照文献[1]中所述,用“灰统计”方法得出这样的结果是因为各位老师给“学生3”的成绩评定分散较大所致,即为各个老师对这个学生的成绩分歧较大造成,但是看“学生4”和“学生6”,各老师对这个学生打分的分散性更大,但是与“和平均”的成绩等级一样,只有“学生7”符合文献[1]所述结论,因而考虑采用改进的灰统计方法分析自动控制原理实验的总成绩比较合理。

参考文献:

[1]吴石林,等.创新型实验成绩的灰统计评估[J].实验技术与管理,2009,(4):132-134.

[2]邓聚龙,等.灰理论基础[M].武汉:华中科技大学出版社,2002.

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[4]罗晓琴.大学物理实验成绩评定方式探索[J].实验科学与技术,2011,(5):102-10.

[5]刘宏超,岳红云.基于因子分析法的学生成绩影响因素的数学模型研究[J].高等函授学报(自然科学版),2011,(5):57-58,60.

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[7]张陆.基于灰统计模型的图书馆用户满意度评估方法研究[J].情报杂志,2006,(12):51-52.

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[12]罗忠.大学课程平时成绩的评定方法探索与实践[J].教学研究,2011,(5):31-34.

自动控制类论文篇(10)

仿生学开创时期的工作有许多是关于动物的感觉器官(信息接收器)和神经系统(信息处理系统)的。仿生学因此和控制论发生了密切的关系。控制论是一门以神经系统和自动机的对比中产生的关于动物和机器的通讯与控制规律的理论科学。控制论的一个分支―――生物控制论专门研究生物中的信息传递和加工处理的规律,它是仿生学的重要理论基础。它的产生促进了仿生学的发展,反过来又通过仿生学丰富了自己的理论。显然,对动物通讯的研究有助于认识动物中信息传递和处理的机制,从而促进生物控制论和仿生学的发展,使人们得以研制出更加完善、更加精美的通讯设备和系统来推动人工智能和智能机器人的研究,满足现代信息社会对通讯和信息处理能力日益增长的需要。这些对于我国四化建设来说,也是十分重要的。

(节选自《动物的通讯》)

【练习】

1、下列对文中画线的“密切的关系”这一概念的理解,最符合文意的一项是()

A、控制论是仿生学的重要理论基础,仿生学是控制论的分支。

B、控制论促进了仿生学的发展,反过来又通过仿生学丰富了自己的理论。

C、控制论有助于认识动物中信息传递和处理的机制。

D、仿生学有助于认识动物中信息传递和处理的机制。

2、控制论的定义是从哪个方面来下的()

A、产生的基础和机器通讯的规律。

B、动物和机器通讯与控制规律。

C、神经系统和自动机的对比与控制规律。

D、产生的基础和研究的范围。

3、下列理解不符合原文意思的一项是()

A、直接“推动”“人工智能和智能机器人的研究”的是完善精美的通讯设备系统。

B、最后一段中画线词“自己”,具体指的是“生物控制论”。

C、我们人类至今还没有对“动物的通讯”这一概念给出一个明确的定义,也没有对这一概念的范围予以界定。

D、最后一段中画线词“机制”的最准确含义应该是指“机体限制”。

4、根据本文提供的信息,以下推断不正确的一项是()

A、我们人类深入地研究动物的唯一目的就是要向动物学习,去模仿动物的各种性能以便于制造出人类所需的一些高尖端的科技产品。

B、动物在世世代代适应环境、相互斗争的活动中发展出了一些器官和组织,这些器官和组织能够卓有成效地转换能量、处理信息和传递信息。

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