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“自动控制原理”课程思政教学探讨 —— 以PID控制教学为例

发布时间：2024年12月30日 10:31 点击： 172 发布：

“自动控制原理”课程思政教学探讨

—— 以PID控制教学为例

郭爱文¹ 专祥涛¹ 丁李¹

(1．武汉大学电气与自动化学院，湖北武汉430072)

[摘要]：伴随着信息技术的飞速发展以及在各行各业的深入渗透，高校教学过程中越来越多的专业开设了控制类课程。“自动控制原理”是自动化类专业的核心基础课程，也是武汉大学全校公共专业基础平台课，受众面十分广泛。本文主要阐述经典控制理论PID控制器中体现的系统思想，通过剖析P-I-D控制的物理内涵，润物无声地融入课程思政育人元素，将控制理论内在的技术哲学自然融合到专业课程教学中。在传授知识的同时进行价值引领，切实提升立德树人成效。

[关键词]：自动控制原理；PID控制；物理内涵；课程思政

[作者简介]:郭爱文（1974-），女，湖南双峰人，工学博士，武汉大学电气与自动化学院讲师，主要从事控制理论教学科研工作。

[基金项目]：2019年国家自然科学基金面上项目 “基于权重控制的多层复杂网络传播动力学研究”（61873194）；2022年武汉大学新工科建设项目课程建设与教学方法改革项目 “控制类课程课程思政教学设计研究”（校内教改项目，无统一编号）；2019年度武汉大学教学改革项目 “依托智能车竞赛的综合训练平台建设研究”。（校内教改项目，无统一编号）

[中图分类号]： G420 [文献标识码]：A

Discussion on Curriculum Ideological and Political Teaching of "Automatic Control Principles"

——Takes PID control teaching as an example

Guo Aiwen¹, Zhuan Xiangtao¹, Ding Li¹

(1. School of Electrical Engineering and Automation, Wuhan University, Wuhan, Hubei Province 430072)

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 silently integrates the course ideological and political education elements, and the internal technical philosophy of the control theory is naturally integrated into the professional course teaching. At the same time in the knowledge of value guidance, effectively improve the effectiveness of moral education.

Key words: automatic control principle; PID control; physical connotation; curriculum ideological and political education

0 引言

在变革时代成长起来的当代青年学生在思想观念、价值判别等方面都具有显著的时代特征。随着视野的扩大和思考的深入，大学生面临海量信息的接收、辨识和处理的压力，同时又受到多元文化、多元价值观的交织影响，迫切需要科学思想的引领，树立正确的理想信念、价值取向、社会责任和政治信仰。早在2016年底全国高校思想政治工作会议上，习近平总书记就强调：“要用好课堂教学这个主渠道，思想政治理论课要坚持在改进中加强，提升思想政治教育亲和力和针对性，满足学生成长发展需求和期待，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应。”^[1]然而长期以来，高校思政课程与其他公共课程专业课程协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，不能正确认识知识传授与价值引领之间的关系，“全课程育人理念”没能完全树立起来；二是在课程设置上，不能正确处理好显性课程与隐性课程之间的关系；三是在队伍建设上，不能统筹处理好育才能力与育德能力的关系。^[2]

武汉大学在教育教学改革过程中越来越清晰地认识到，要想提升高校思想政治教育实效性，必须充分发挥课堂育人主渠道作用，充分利用全校学科资源丰富的优势，将学术资源转化为育人资源，实现“知识传授”和“价值引领”有机统一，推动“思政课程”向“课程思政”的立体化育人转型。本文以“自动控制原理”课程中PID控制为例，依据自身在长期一线教学过程中的感悟浅析课程思政与专业课程的有机融合。

1 “自动控制原理”课程概述

“自动控制原理”是自动化类专业必修课、基础课、核心课，也是一门武汉大学全校公共专业基础课程，面向全校电气、电子信息、导航工程、能源动力、机械、智能建造等专业学生进行开设，是一门交叉性、理论性很强课程。课程的主要任务是向学生介绍自动控制的基本原理、控制系统的组成、控制系统数学模型、控制系统的时域、根轨迹和频域分析的基本方法、控制系统校正、非线性控制系统、离散控制系统等。通过课程学习，学生将掌握坚实的控制理论基础，并具备控制系统分析和设计能力，为今后分析、设计和继续学习复杂控制系统奠定坚实的理论基础。

2融入课程思政的自动控制原理课程目标

教育兴则国兴，教育强则国强。高等学校围绕立德树人的总目标，除了注重知识传授、能力提升以外，还应该加强素质教育，实现价值引领。大学生正处在“三观”的形成关键时期，高等学校在教育过程中要帮助学生形成正确的“三观”。

2.1 课程知识能力目标

根据“自动控制原理”课程教学大纲，该课程的培养目标包括：让学生掌握自动控制原理基本结构、基本特征、技术指标；能够对实际工程问题加以分析进行抽象、简化，根据事物的内在发展规律，依据物理中力学、电学、热学定律以及化学原理等知识体系，运用微分方程、复变函数与积分变换等数学知识建立合理的控制系统数学模型；能够运用控制系统分析方法分析系统的稳定性、动态性能以及静态性能；能够利用控制系统分析方法以及MATLAB等仿真软件对简单的控制系统进行校正和设计，从而提高学生的综合运用能力。

2.2 课程思政育人目标

依据立德树人总目标，结合武汉大学人才培养目标，从顶层设计上下功夫，构建全面覆盖、类型丰富、层次递进、相互支撑的课程思政体系^[3]。武汉大学依据自身强大的综合性学科优势，从新生进校开始在思政课程中坚持弘扬主旋律，加强科学社会主义理论知识的系统学习，奠定思想政治素质的基础，形成基于辩证唯物主义的哲学思想底色，塑造基于马克思主义认识论与实践论的思维习惯和行为准则。但大学的思政教育绝不能仅仅停滞在思政课程之中，因此提升专业任课教师课程思政思维习惯则更具有深远意义。专业任课教师有意识地将思想政治工作贯穿到课程体系之中，在传授专业课程知识的基础上引导学生将所学到的知识和技能转化为内在德行和素养，注重将学生个人发展与社会发展、国家发展结合起来，激发其为国家学习、为民族学习的热情和动力，帮助其在创造社会价值过程中明确自身价值和社会定位。注重科学思维方法的训练和科技伦理的教育，培养学生探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感，培养学生精益求精的大国工匠精神。

3 PID控制物理内涵及思政元素融入

PID（Proportion-Integral-Derivative）控制即比例-积分-微分控制，在经典控制理论中具有举足轻重的地位。作为最早实用化的控制器已有七十多年历史。在目前广泛使用的控制器中，常常采用比例、积分、微分等基本控制规律，或用这些基本控制规律的适当组合，如比例加积分，比例加微分，比例加积分加微分等控制规律，以便对被控对象进行有效的控制。这一经典控制器以结构简单、稳定性好、调整方便、工作可靠，成为最早运用到工业控制领域且经久不衰的主要技术之一。^[4]

3.1 PID控制物理内涵

根据负反馈工作原理构成的自动控制系统，其最大特点就是采用误差进行控制。这也就意味着误差是进行控制的最原始、最基本的信号。因此，工程上普遍应用的比例、积分、微分控制都是针对误差而言。图1所示为典型的PID控制系统结构图。

图1 PID控制系统结构框图

其控制规律为^[3]

(1)

其中比例环节实质上是一个具有可调放大系数的放大器。当时，则引入比例调节器后可增大整个系统的开环放大系数，从而减小稳态误差、提高控制精度。但是过大的也会导致系统的相对稳定性下降，甚至造成不稳定。因此在工程实际中一般不单独运用比例控制，而是将比例控制与积分微分等控制规律结合起来使用，以便有效提升系统的控制品质。这里也必须指出，虽然在实际工程中不单独使用比例控制器，但比例控制却是控制系统中必不可少的环节。否则直接违背了反馈控制系统按误差进行控制的这一特点。从这一角度来看，也就意味着无论是采用微分、积分或者微分加积分控制，都必须是在比例控制的基础之上。

纯积分环节可以提高系统的无差度阶数，从这一角度看，有利于改善系统的稳态性能，但同时也因为积分环节的存在，会导致系统稳定性有所下降，因此纯积分环节有利有弊，但只要控制系统中存在误差信号，哪怕误差信号很小，积分环节就能对误差信息进行不断累积，并对系统进行相应控制，迫使误差回复至0为止，从而有效地改善系统的稳态性能。而系统中的比例控制部分则将的大小和符号即时按比例对系统进行控制，可以有效弥补积分环节带来的副作用，以维持系统的正常运行。

由于一阶导数表示变化率，因此PID控制中的微分控制分量对的变化非常敏感。误差一有变动，值就随之变化。变化越剧烈，则绝对值越大。正因为比例加微分控制器的控制作用超前于的变化，因此控制器能够提前行动，及时采取措施对系统做出有效的控制，起到“未雨绸缪”的作用。微分控制可以抓住误差变动的“苗头趋势”，提前进行预判，及时采取策略控制系统，具有突出的“预见性”、“提前性”优势。微分控制不仅可以反映误差信号的变化趋势，而且能在误差信号尚未出现之前，在系统中给出有效的早期修正信号，从而有助于系统的稳定性，并且有效抑制过大的超调量。

3.2 PID控制中的思政元素

由PID控制器的物理规律可见，PID控制器充分考虑了现在（P）、过去（I）和未来（D）三个历史阶段，综合考量三个时间段的信息，并赋予不同的权值进行调节，形成综合的控制规律。在技术上充分体现了唯物史观，在设计上考虑了全时间轴，使得PID这一经典控制器自出现以来一直到现今，仍然能够成为工业控制领域中经久不衰且最富有活力的控制器。

如果深入思考，运用唯物主义辩证法审视事物客观规律，提炼这中间的思政元素，可以结合青年学子看待事物方式，将思政元素运用至专业课程之中。

比例控制器动作响应快，输出信号几乎与偏差信号同时产生，就犹如青年学生，能够迅速感知当下事物，并据此做出判断，得出结论。而单纯的比例控制容易发生振荡，这也符合青年学生据当下判断得出的结论往往也会有失偏颇的特点。

积分控制对误差信息进行历史累积，通过持续工作直至消除静态误差。积分环节的这一特点也警示青年学生要通过学习历史先验知识，总结经验，及时审视纠正问题，形成一个相对完善的识别和作用，用于指导行动，形成收敛稳定的效果，达到厚积薄发。

微分控制具备相位超前能力，能对未来趋势提前预判，使系统偏差消失于萌芽状态之中，有效增强系统稳定性。从微分环节这一特征能够可以看出，凡事预则立不预则废，青年学子要对自身有长远规划，方能行稳致远。

PID控制器犹如一个紧密联结的团队，团队中的每一位成员各司其职，充分发挥各自优势，同时根据事物具体特性调整加权系数，形成协同效应，构成一个相对完善的功能，指导整个系统统一行动，达到整个系统收敛稳定的功效，成为实现工作效率最大化的最有效方式。

4. 结语

课程思政是全过程的全员育人，也是落实立德树人任务的关键。本文以经典控制理论中PID控制器为例，详细剖析了专业课程与思政课程的相互融入。从这一过程中可以清晰地看到专业课程蕴含着丰富的思政元素。育人先育己，武汉大学在课程教学探讨过程中控制理论教学团队与马克思主义学院教师进行相互交流学习，提升思政理论水平、通过教学研讨会，校级之间交流等多渠道，在教中学，在学中教，通过反复实践总结，全面提高自身思政育人意识和能力，从而建设一支政治素质过硬，业务能力精湛，育人水平高超的高素质教师队伍。

“自动控制原理”这一经典控制理论课程蕴含了深邃的哲学思想，思想领域的育人元素自然融入。只要课堂的组织者能够用心挖掘，精心打磨，引导青年学生感悟控制理论中的思想光芒，领略技术哲学之美，进而提升辩证唯物主义和历史唯物主义的认知。青年学生在经典控制理论学习过程中，不仅深入学习了专业知识，也因为思政元素的融入，让理论课程变得生动鲜活，也更富有感染力。让学生能够深刻理解其物理内涵，在掌握知识的同时自然接受价值引领，实现教育全过程、全方位育人目的，切实达到“德能兼备”。