郭愛(ài)文　專祥濤　丁李

［摘 要］ 隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展及在各行各業(yè)的深入滲透，高校教學(xué)過(guò)程中越來(lái)越多的專業(yè)開(kāi)設(shè)了控制類(lèi)課程?！白詣?dòng)控制原理”是自動(dòng)化類(lèi)專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，也是武漢大學(xué)全校公共專業(yè)基礎(chǔ)平臺(tái)課，受眾面十分廣泛。通過(guò)主要闡述經(jīng)典控制理論P(yáng)ID控制器中體現(xiàn)的系統(tǒng)思想，通過(guò)剖析PID控制的物理內(nèi)涵，潤(rùn)物無(wú)聲地融入思政元素，將控制理論內(nèi)在的技術(shù)哲學(xué)自然融入專業(yè)課程教學(xué)，在傳授知識(shí)的同時(shí)進(jìn)行價(jià)值引領(lǐng)，切實(shí)提升立德樹(shù)人成效。

［關(guān)鍵詞］ 自動(dòng)控制原理；PID控制；物理內(nèi)涵；課程思政

［基金項(xiàng)目］ 2019年度國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“基于權(quán)重控制的多層復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)傳播動(dòng)力學(xué)研究”（61873194）；2022年度武漢大學(xué)新工科建設(shè)項(xiàng)目課程建設(shè)與教學(xué)方法改革項(xiàng)目“控制類(lèi)課程課程思政教學(xué)設(shè)計(jì)研究”；2019年度武漢大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目“依托智能車(chē)競(jìng)賽的綜合訓(xùn)練平臺(tái)建設(shè)研究”

［作者簡(jiǎn)介］ 郭愛(ài)文（1974—），女，湖南雙峰人，工學(xué)博士，武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院講師，主要從事控制理論研究。

［中圖分類(lèi)號(hào)］ G641 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）04-0124-04 ［收稿日期］ 2022-12-07

引言

在變革時(shí)代成長(zhǎng)起來(lái)的當(dāng)代青年學(xué)生，在思想觀念、價(jià)值判別等方面都具有顯著的時(shí)代特征。隨著視野的擴(kuò)大和思考的深入，大學(xué)生面臨海量信息的接收、辨識(shí)和處理的壓力，同時(shí)又受到多元文化和多元價(jià)值觀的交織影響，迫切需要科學(xué)思想的引領(lǐng)，樹(shù)立正確的理想信念、價(jià)值取向、社會(huì)責(zé)任和政治信仰。在2016年全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上，習(xí)近平總書(shū)記就強(qiáng)調(diào)：“要用好課堂教學(xué)這個(gè)主渠道，思想政治理論課要堅(jiān)持在改進(jìn)中加強(qiáng)，提升思想政治教育親和力和針對(duì)性，滿足學(xué)生成長(zhǎng)發(fā)展需求和期待，其他各門(mén)課都要守好一段渠、種好責(zé)任田，使各類(lèi)課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)?！保?］然而長(zhǎng)期以來(lái)，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(rèn)識(shí)知識(shí)傳授與價(jià)值引領(lǐng)之間的關(guān)系，“全課程育人理念”沒(méi)有完全樹(shù)立起來(lái)；二是在課程設(shè)置上，沒(méi)有正確處理好顯性課程與隱性課程之間的關(guān)系；三是在隊(duì)伍建設(shè)上，不能統(tǒng)籌處理好育才能力與育德能力的關(guān)系［2］。

武漢大學(xué)在教育教學(xué)改革過(guò)程中越來(lái)越清晰地認(rèn)識(shí)到，要想提升高校思想政治教育的實(shí)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(xué)科資源豐富的優(yōu)勢(shì)，將學(xué)術(shù)資源轉(zhuǎn)化為育人資源，實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授和價(jià)值引領(lǐng)的有機(jī)統(tǒng)一，推動(dòng)“思政課程”向“課程思政”的立體化育人轉(zhuǎn)型。本文以“自動(dòng)控制原理”課程中PID控制為例，依據(jù)筆者長(zhǎng)期在一線教學(xué)過(guò)程中的感悟，淺析課程思政與專業(yè)課程的有機(jī)融合。

一、“自動(dòng)控制原理”課程概述

“自動(dòng)控制原理”是自動(dòng)化類(lèi)專業(yè)的必修課、基礎(chǔ)課、核心課，也是武漢大學(xué)全校公共專業(yè)基礎(chǔ)課程，面向全校電氣、電子信息、導(dǎo)航工程、能源動(dòng)力、機(jī)械、智能建造等專業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)，是一門(mén)交叉性、理論性很強(qiáng)的課程。課程的主要任務(wù)是向?qū)W生介紹自動(dòng)控制的基本原理、控制系統(tǒng)的組成、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)的時(shí)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(guò)課程學(xué)習(xí)，學(xué)生將掌握扎實(shí)的控制理論基礎(chǔ)，并具備控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)能力，為今后分析、設(shè)計(jì)和繼續(xù)學(xué)習(xí)復(fù)雜控制系統(tǒng)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

二、融入課程思政的“自動(dòng)控制原理”課程目標(biāo)

教育興則國(guó)興，教育強(qiáng)則國(guó)強(qiáng)。高等學(xué)校圍繞立德樹(shù)人的總目標(biāo)，除了注重知識(shí)傳授、能力提升以外，還應(yīng)該加強(qiáng)素質(zhì)教育，實(shí)現(xiàn)價(jià)值引領(lǐng)。大學(xué)生正處在“三觀”形成的關(guān)鍵時(shí)期，高等學(xué)校在教育過(guò)程中要幫助學(xué)生形成正確的“三觀”。

（一）課程知識(shí)能力目標(biāo)

根據(jù)“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)大綱，該課程的培養(yǎng)目標(biāo)為：讓學(xué)生掌握自動(dòng)控制原理基本結(jié)構(gòu)、基本特征、技術(shù)指標(biāo)；能夠?qū)?shí)際工程問(wèn)題加以分析進(jìn)行抽象、簡(jiǎn)化，根據(jù)事物的內(nèi)在發(fā)展規(guī)律，依據(jù)物理中力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)定律及化學(xué)原理等知識(shí)體系，運(yùn)用微分方程、復(fù)變函數(shù)與積分變換等數(shù)學(xué)知識(shí)建立合理的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型；能夠運(yùn)用控制系統(tǒng)分析方法分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)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(duì)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)進(jìn)行校正和設(shè)計(jì)，從而提高學(xué)生的綜合運(yùn)用能力。

（二）課程思政育人目標(biāo)

依據(jù)立德樹(shù)人總目標(biāo)，結(jié)合武漢大學(xué)人才培養(yǎng)目標(biāo)，從頂層設(shè)計(jì)上下功夫，構(gòu)建全面覆蓋、類(lèi)型豐富、層次遞進(jìn)、相互支撐的課程思政體系［3］。武漢大學(xué)依據(jù)自身強(qiáng)大的綜合性學(xué)科優(yōu)勢(shì)，從新生進(jìn)校開(kāi)始，在思政課程中堅(jiān)持弘揚(yáng)主旋律，加強(qiáng)科學(xué)社會(huì)主義理論知識(shí)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，奠定思想政治素質(zhì)的基礎(chǔ)，形成基于辯證唯物主義的哲學(xué)思想底色，塑造基于馬克思主義認(rèn)識(shí)論與實(shí)踐論的思維習(xí)慣和行為準(zhǔn)則。但大學(xué)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(xí)慣則更具有深遠(yuǎn)意義。專業(yè)任課教師有意識(shí)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(shí)的基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)和技能轉(zhuǎn)化為內(nèi)在德行和素養(yǎng)，注重將學(xué)生個(gè)的人發(fā)展與社會(huì)發(fā)展、國(guó)家發(fā)展結(jié)合起來(lái)，激發(fā)學(xué)生為國(guó)家學(xué)習(xí)、為民族學(xué)習(xí)的熱情和動(dòng)力，幫助其在創(chuàng)造社會(huì)價(jià)值過(guò)程中明確自身價(jià)值和社會(huì)定位。注重科學(xué)思維方法的訓(xùn)練和科技倫理的教育，培養(yǎng)學(xué)生探索未知、追求真理、勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和使命感，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國(guó)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(shí)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(dāng)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(duì)被控對(duì)象進(jìn)行有效的控制。這一經(jīng)典控制器以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、調(diào)整方便、工作可靠，成為最早運(yùn)用到工業(yè)控制領(lǐng)域且經(jīng)久不衰的主要技術(shù)之一［4］。

（一）PID控制物理內(nèi)涵

根據(jù)負(fù)反饋工作原理構(gòu)成的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其最大特點(diǎn)就是采用誤差e（t）進(jìn)行控制。這也就意味著誤差e（t）是進(jìn)行控制的最原始、最基本的信號(hào)。因此，工程上普遍應(yīng)用的比例、積分、微分控制都是針對(duì)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(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可調(diào)放大系數(shù)的放大器。當(dāng)Kp＞1時(shí)，則引入比例調(diào)節(jié)器后可增大整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)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(guò)大的Kp也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性下降，甚至造成不穩(wěn)定。因此，在工程實(shí)際中一般不單獨(dú)運(yùn)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(lái)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(shí)際工程中不單獨(dú)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(jìn)行控制的這一特點(diǎn)。從這一角度來(lái)看，也就意味著無(wú)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(chǔ)之上。

純積分環(huán)節(jié)可以提高系統(tǒng)的無(wú)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(shí)也因?yàn)榉e分環(huán)節(jié)的存在，會(huì)導(dǎo)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(hào)，哪怕誤差信號(hào)很小，積分環(huán)節(jié)就能對(duì)誤差信息進(jìn)行不斷累積，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)控制，迫使誤差回復(fù)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(hào)即時(shí)按比例對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以有效彌補(bǔ)積分環(huán)節(jié)帶來(lái)的副作用，以維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

由于一階導(dǎo)數(shù)表示變化率，因此PID控制中的微分控制分量對(duì)e（t）的變化非常敏感。誤差e（t）一有變動(dòng)，u（t）值就隨之變化。e（t）變化越劇烈，則u（t）絕對(duì)值越大。正因?yàn)楸壤游⒎挚刂破鞯目刂谱饔贸坝趀（t）的變化，因此控制器能夠提前行動(dòng)，及時(shí)采取措施對(duì)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(dòng)的“苗頭趨勢(shì)”，提前進(jìn)行預(yù)判，及時(shí)采取策略控制系統(tǒng)，具有突出的“預(yù)見(jiàn)性”“提前性”優(yōu)勢(shì)。微分控制不僅可以反映誤差信號(hào)的變化趨勢(shì)，而且能在誤差信號(hào)尚未出現(xiàn)之前，在系統(tǒng)中給出有效的早期修正信號(hào)，從而有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且有效抑制過(guò)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(jiàn)，PID控制器充分考慮了現(xiàn)在（P）、過(guò)去（I）和未來(lái)（D）三個(gè)歷史階段，綜合考量三個(gè)時(shí)間段的信息，并賦予不同的權(quán)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，形成綜合的控制規(guī)律。在技術(shù)上充分體現(xiàn)了唯物史觀，在設(shè)計(jì)上考慮了全時(shí)間軸，使得PID這一經(jīng)典控制器至今仍是工業(yè)控制領(lǐng)域中經(jīng)久不衰且最富有活力的控制器。

積分控制對(duì)誤差信息進(jìn)行歷史累積，通過(guò)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(diǎn)啟發(fā)青年學(xué)生可以通過(guò)學(xué)習(xí)歷史先驗(yàn)知識(shí)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，及時(shí)審視糾正問(wèn)題，形成相對(duì)完善的識(shí)別和作用，用于指導(dǎo)行動(dòng)，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(duì)未來(lái)趨勢(shì)提前預(yù)判，使系統(tǒng)偏差消失于萌芽狀態(tài)之中，有效增強(qiáng)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(yù)則立不預(yù)則廢，要有長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，方能行穩(wěn)致遠(yuǎn)。PID控制器猶如一個(gè)緊密聯(lián)結(jié)的團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)中的每一位成員各司其職，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，同時(shí)根據(jù)事物具體特性調(diào)整加權(quán)系數(shù)，形成協(xié)同效應(yīng)，構(gòu)成一個(gè)相對(duì)完善的功能，指導(dǎo)整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一行動(dòng)，達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)收斂穩(wěn)定的功效，成為實(shí)現(xiàn)工作效率最大化的最有效方式。

結(jié)語(yǔ)

課程思政是構(gòu)建全員、全程、全方位育人目標(biāo)的重要舉措，也是落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)的關(guān)鍵。本文以經(jīng)典控制理論中PID控制器為例，詳細(xì)剖析了專業(yè)課程與思政課程的相互融入。這一過(guò)程可清晰地看到專業(yè)課程蘊(yùn)含著豐富的思政元素。育人先育己，在課程教學(xué)探討過(guò)程中，控制理論教學(xué)團(tuán)隊(duì)與馬克思主義學(xué)院教師相互交流學(xué)習(xí)，提升思想政治理論水平，通過(guò)教學(xué)研討會(huì)，校際交流等多渠道，在教中學(xué)、學(xué)中教，通過(guò)反復(fù)實(shí)踐總結(jié)，全面增強(qiáng)專業(yè)課教師的思想政治育人意識(shí)和能力，從而建設(shè)一支政治素質(zhì)過(guò)硬、業(yè)務(wù)能力精湛、育人水平高超的高素質(zhì)教師隊(duì)伍。

“自動(dòng)控制原理”這一經(jīng)典控制理論課程蘊(yùn)含了深邃的哲學(xué)思想，思想領(lǐng)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(dǎo)青年學(xué)生感悟控制理論中的思想光芒，領(lǐng)略技術(shù)哲學(xué)之美，進(jìn)而提升辯證唯物主義和歷史唯物主義的認(rèn)知。青年學(xué)生在經(jīng)典控制理論學(xué)習(xí)過(guò)程中，不僅深入學(xué)習(xí)了專業(yè)知識(shí)，也因?yàn)樗颊氐娜谌?，讓理論課程變得生動(dòng)鮮活，也更富有感染力。讓學(xué)生能夠深刻理解其物理內(nèi)涵，在掌握知識(shí)的同時(shí)自然接受價(jià)值引領(lǐng)，實(shí)現(xiàn)教育全員、全程、全方位育人目的，切實(shí)達(dá)到“德能兼?zhèn)洹薄?/p>

參考文獻(xiàn)

［1］習(xí)近平在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào) 把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過(guò)程 開(kāi)創(chuàng)我國(guó)高等教育事業(yè)發(fā)展新局面［N］.人民日?qǐng)?bào)，2016-12-09（1）.

［2］高德毅，宗愛(ài)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(dǎo)刊，2017（1）：31-34.

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

［4］胡壽松.自動(dòng)控制原理（第六版）［M］.北京：科學(xué)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