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[摘要]分析“自动控制原理”教学特点，研究了理论联系实际对其中概念理解的重要性，并针对控制原理中反馈概念进行理论联系实际的剖析，挖掘反馈概念的深层含义，达到反馈概念通俗易懂的目的，并在控制原理教学方面进行了有意义的探索。
[关键词]反馈理论联系实际挖掘深层含义
[中图分类号]G64 [文献标识码]A
引言
控制原理这门课程理论性较强、多学科交叉性强、应用范围广[1]31。其特点是概念较抽象，数学比重大，计算推理多，理解起来费劲[2]34。因而在教学的各个环节中，要把握好理论与原理、抽象与具体、概念与方法间的关系，培养学生创新思维和创新能力，要有整体、系统的观念。在控制原理教学时应注重概念，弱化计算，其中最重要的就是理论联系实际，要通过一些实例来帮助学生理解概念，吸收知识。在控制原理中学生对反馈概念的理解是很重要的，下面作者将结合控制原理中的反馈来论述如何通过实例帮助学生理解这个概念。
一
所谓反馈就是根据系统输出信息的变化来进行控制，即通过比较系统输出与期望输出之间的偏差，并消除这些偏差以获得预期的性能。也可以这样说系统输出会部分或全部地被反作用于输入，或者系统当前输出会影响以后输出的现象。而且事物自身的状态会影响其周围的环境，而周围的环境又会反过来使事物的状态发生变化，因此反馈是一种客观存在现象[3]10-13。在反馈控制系统中，既存在从输入到输出的信号前向传递通路，又存在从输出到输入的反馈通路，两者组成一闭合回路。工程中常将在运行时使输出值与期望值保持一致的反馈控制系统称自动调节系统，而将用于精确跟随或复现某个过程的反馈控制系统称伺服系统或随动系统。
反馈控制一般具有如下环节：a给定环节；b测量环节；c比较环节；d放大及运算环节；e执行环节。
反馈控制系统特点：1)能够自动克服或减少扰动对系统输出的影响；2)在利用反馈减少系统偏差的同时，也会因调整过度而导致系统不稳定；3)反馈控制系统的实质是“发现偏差再纠正偏差”。
这些是对反馈的全面论述，学生看了会觉得太抽象，不知道怎么去把握，下面将结合对反馈的分类来由抽象到具体，理论联系实际。
二
按反馈产生的途径，分为内反馈和外反馈。机械系统的动力学特性实际上是由反馈导致的，称为内反馈，它是系统内部各元素间互为因果关系的体现。而人为地将系统的输出引入到系统的输入而形成的反馈称为外反馈。
(一)机械系统中的内反馈举例
a一个弹簧、阻尼系统的输入为χi(t)，输出为χ0(t)，见图1所示，直观上难以判断该系统是否为内反馈系统，需作对应分析才能得到正确判断。图1：弹簧、阻尼系统
上面图1对应的微分方程为：
（χi(t)-χ0(t))*k=χ0(t)*c(1)
将上式进行拉斯变换，表示成框图形式如下：图2：弹簧、阻尼系统传递函数方框图
由图2可见该系统为典型的内反馈系统，但单从表面看这种内反馈很难识别。
b一个弹簧、质量、阻尼系统的输入为xi(t)，输出为x0(t)，见图3所示，直观上难以判断该系统是否为内反馈系统，也需作对应分析。
图3：弹簧、质量、阻尼系统
上面图3对应的微分方程为：
（χi(t)-χ0(t))*k-χ0(t)*c=χ0(t)*m (2)
将上式进行拉斯变换，表示成框图形式如下：
图4：弹簧、质量、阻尼系统传递函数方框图
由图4可见该系统为也为内反馈系统。
c一端固定弹簧、质量、阻尼系统的输入为χi(t)，输出为x0(t)，见图5所示，直观上难以判断该系统是否为内反馈系统，也需作对应分析。
图5：一端固定弹簧、质量、阻尼系统
上面图5对应的微分方程为：
（χi(t)-χ0(t))*k-χ0(t)*c=χ0(t)*m (3)
将上式进行拉斯变换，表示成框图形式如下：
图6：一端固定弹簧、质量、阻尼系统传函方框图
由图6可见该系统为也为内反馈系统。
d质量、弹簧系统的输入为χi(t)，输出为χ0(t)，见图7所示，直观上难以判断该系统是否为内反馈系统，也需作对应分析。
图7：质量、弹簧系统
上面图7对应的微分方程为：
（χi(t)-χ0(t))*k=χ0(t)*m (4)
将该式进行拉斯变换，表示成框图形式如下：
图8：质量、弹簧系统传函方框图
由图8可见该系统也为内反馈系统。可以总结出机械系统有内反馈要求系统中有弹性元件，且输入要直接作用在弹性元件上或输入先作用在惯性元件上，再间接作用在弹性元件上。
(二)外反馈举例
外反馈是人为地将系统的输出反作用于系统的输入，形成闭环系统。
a基于位置反馈的位移控制系统
图9为基于位置反馈的位移控制系统，通过外部位置闭环可以提高系统位置控制精度,且系统对外部扰动和系统参数变化不敏感。
由于阀芯径向力平衡，阀芯偏心小，阀芯上受到的液压卡紧力就小，阀芯运动起来阻力就小。因阀芯径向力平衡，阀芯阀套配合精度高，该阀体中阀芯与台肩零开口，为保证伺服阀在中位可靠截止，每个台肩和阀口对中时左右各有0.25mm的重叠量，换算成角度重叠量为0.1520，伺服盲区很小。
由图9得到外反馈控制系统的通用控制框图见图10所示：
b限压式外反馈变量叶片泵
限压式外反馈变量叶片泵见图11所示，其中的各个元件为：1.转子；2.弹簧；3.定子；4.滑块滚针支承；5.反馈柱塞；6.流量调节螺钉。
上式中各个量的意义：qp.泵的实际流量；kp.泵的流量增益；λp.泄漏系数；pp.泵的工作压力；A.反馈油缸活塞面积；m.运动部件等效质量；B.黏性阻尼系数；K.弹簧刚度。
将上式进行拉斯变换，表示成框图形式如下
三
按反馈的作用效果来分，有负反馈与正反馈。
(一) 负反馈水箱
负反馈系统属于结构稳定系统，对于这类系统，不论如何调整系统参数都不可能使系统稳定，如负反馈水箱见图13。
图13中，当水位上升时，通过浮子反馈，经杠杆机构使阀门关小，阻止液面继续升高；当水位下降时，通过浮子反馈，经杠杆机构使阀门打开，阻止液面继续下降。
(二) 正反馈水箱
正反馈系统属于结构不稳定系统，对于这类系统，不论如何调整系统参数都不可能使系统稳定，如正反馈水箱见图14。
图14中，当水位上升时，通过浮子反馈，经杠杆机构使阀门打开，让液面继续升高；当水位下降时，通过浮子反馈，经杠杆机构使阀门关小，让液面继续下降。
四
控制理论中的反馈在我们生活中也是随处可见，比如教学活动实质上也是一个反馈控制系统，教师在一定的教学条件下，运用一定的教学手段在学生身上实现一定教学目标的系统，教学反馈控制框图见图15。在此系统中，教师处于主导地位，确定教学目标，引导学生学习；学生处于被控对象地位，是学习的主体。运用控制理论对教学过程进行深入分析，将会发挥教师和学生的双向积极性，提高教学效率、提升教学水平。
教学中通过引入生动形象的实例，能让学生将学习的理论联系实际，加深学生对知识、概念的理解，提过学生学习兴趣和动力。
基金项目：湖北省教育厅省级教学研究项目(2009187)，武汉科技大学机械自动化学院教学研究项目(jxyj200915)。
[参考文献]
[1]谢志刚,齐晓慧,王永川.自动控制原理教学中的方法论探讨[J].教学研究,2009,12期:31-32.
[2]马东梅.Simulink仿真软件在自动控制原理教学中的应用[J].现代电子技术，2005,28(8):34-36.
[3]杨叔子,杨克冲等.机械工程控制基础[M],武汉:华中科技大学出版社,2005.
[4]邹开凤,陈友龙.限压式变量叶片泵动态特性分析[J],机械与电子,2008,18期:31-32.116-117.
通信联系人：蒋林
（作者单位：武汉科技大学）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
[关键词]反馈理论联系实际挖掘深层含义
[中图分类号]G64 [文献标识码]A
引言
控制原理这门课程理论性较强、多学科交叉性强、应用范围广[1]31。其特点是概念较抽象，数学比重大，计算推理多，理解起来费劲[2]34。因而在教学的各个环节中，要把握好理论与原理、抽象与具体、概念与方法间的关系，培养学生创新思维和创新能力，要有整体、系统的观念。在控制原理教学时应注重概念，弱化计算，其中最重要的就是理论联系实际，要通过一些实例来帮助学生理解概念，吸收知识。在控制原理中学生对反馈概念的理解是很重要的，下面作者将结合控制原理中的反馈来论述如何通过实例帮助学生理解这个概念。
一
所谓反馈就是根据系统输出信息的变化来进行控制，即通过比较系统输出与期望输出之间的偏差，并消除这些偏差以获得预期的性能。也可以这样说系统输出会部分或全部地被反作用于输入，或者系统当前输出会影响以后输出的现象。而且事物自身的状态会影响其周围的环境，而周围的环境又会反过来使事物的状态发生变化，因此反馈是一种客观存在现象[3]10-13。在反馈控制系统中，既存在从输入到输出的信号前向传递通路，又存在从输出到输入的反馈通路，两者组成一闭合回路。工程中常将在运行时使输出值与期望值保持一致的反馈控制系统称自动调节系统，而将用于精确跟随或复现某个过程的反馈控制系统称伺服系统或随动系统。
反馈控制一般具有如下环节：a给定环节；b测量环节；c比较环节；d放大及运算环节；e执行环节。
反馈控制系统特点：1)能够自动克服或减少扰动对系统输出的影响；2)在利用反馈减少系统偏差的同时，也会因调整过度而导致系统不稳定；3)反馈控制系统的实质是“发现偏差再纠正偏差”。
这些是对反馈的全面论述，学生看了会觉得太抽象，不知道怎么去把握，下面将结合对反馈的分类来由抽象到具体，理论联系实际。
二
按反馈产生的途径，分为内反馈和外反馈。机械系统的动力学特性实际上是由反馈导致的，称为内反馈，它是系统内部各元素间互为因果关系的体现。而人为地将系统的输出引入到系统的输入而形成的反馈称为外反馈。
(一)机械系统中的内反馈举例
a一个弹簧、阻尼系统的输入为χi(t)，输出为χ0(t)，见图1所示，直观上难以判断该系统是否为内反馈系统，需作对应分析才能得到正确判断。图1：弹簧、阻尼系统
上面图1对应的微分方程为：
（χi(t)-χ0(t))*k=χ0(t)*c(1)
将上式进行拉斯变换，表示成框图形式如下：图2：弹簧、阻尼系统传递函数方框图
由图2可见该系统为典型的内反馈系统，但单从表面看这种内反馈很难识别。
b一个弹簧、质量、阻尼系统的输入为xi(t)，输出为x0(t)，见图3所示，直观上难以判断该系统是否为内反馈系统，也需作对应分析。
图3：弹簧、质量、阻尼系统
上面图3对应的微分方程为：
（χi(t)-χ0(t))*k-χ0(t)*c=χ0(t)*m (2)
将上式进行拉斯变换，表示成框图形式如下：
图4：弹簧、质量、阻尼系统传递函数方框图
由图4可见该系统为也为内反馈系统。
c一端固定弹簧、质量、阻尼系统的输入为χi(t)，输出为x0(t)，见图5所示，直观上难以判断该系统是否为内反馈系统，也需作对应分析。
图5：一端固定弹簧、质量、阻尼系统
上面图5对应的微分方程为：
（χi(t)-χ0(t))*k-χ0(t)*c=χ0(t)*m (3)
将上式进行拉斯变换，表示成框图形式如下：
图6：一端固定弹簧、质量、阻尼系统传函方框图
由图6可见该系统为也为内反馈系统。
d质量、弹簧系统的输入为χi(t)，输出为χ0(t)，见图7所示，直观上难以判断该系统是否为内反馈系统，也需作对应分析。
图7：质量、弹簧系统
上面图7对应的微分方程为：
（χi(t)-χ0(t))*k=χ0(t)*m (4)
将该式进行拉斯变换，表示成框图形式如下：
图8：质量、弹簧系统传函方框图
由图8可见该系统也为内反馈系统。可以总结出机械系统有内反馈要求系统中有弹性元件，且输入要直接作用在弹性元件上或输入先作用在惯性元件上，再间接作用在弹性元件上。
(二)外反馈举例
外反馈是人为地将系统的输出反作用于系统的输入，形成闭环系统。
a基于位置反馈的位移控制系统
图9为基于位置反馈的位移控制系统，通过外部位置闭环可以提高系统位置控制精度,且系统对外部扰动和系统参数变化不敏感。
由于阀芯径向力平衡，阀芯偏心小，阀芯上受到的液压卡紧力就小，阀芯运动起来阻力就小。因阀芯径向力平衡，阀芯阀套配合精度高，该阀体中阀芯与台肩零开口，为保证伺服阀在中位可靠截止，每个台肩和阀口对中时左右各有0.25mm的重叠量，换算成角度重叠量为0.1520，伺服盲区很小。
由图9得到外反馈控制系统的通用控制框图见图10所示：
b限压式外反馈变量叶片泵
限压式外反馈变量叶片泵见图11所示，其中的各个元件为：1.转子；2.弹簧；3.定子；4.滑块滚针支承；5.反馈柱塞；6.流量调节螺钉。
上式中各个量的意义：qp.泵的实际流量；kp.泵的流量增益；λp.泄漏系数；pp.泵的工作压力；A.反馈油缸活塞面积；m.运动部件等效质量；B.黏性阻尼系数；K.弹簧刚度。
将上式进行拉斯变换，表示成框图形式如下
三
按反馈的作用效果来分，有负反馈与正反馈。
(一) 负反馈水箱
负反馈系统属于结构稳定系统，对于这类系统，不论如何调整系统参数都不可能使系统稳定，如负反馈水箱见图13。
图13中，当水位上升时，通过浮子反馈，经杠杆机构使阀门关小，阻止液面继续升高；当水位下降时，通过浮子反馈，经杠杆机构使阀门打开，阻止液面继续下降。
(二) 正反馈水箱
正反馈系统属于结构不稳定系统，对于这类系统，不论如何调整系统参数都不可能使系统稳定，如正反馈水箱见图14。
图14中，当水位上升时，通过浮子反馈，经杠杆机构使阀门打开，让液面继续升高；当水位下降时，通过浮子反馈，经杠杆机构使阀门关小，让液面继续下降。
四
控制理论中的反馈在我们生活中也是随处可见，比如教学活动实质上也是一个反馈控制系统，教师在一定的教学条件下，运用一定的教学手段在学生身上实现一定教学目标的系统，教学反馈控制框图见图15。在此系统中，教师处于主导地位，确定教学目标，引导学生学习；学生处于被控对象地位，是学习的主体。运用控制理论对教学过程进行深入分析，将会发挥教师和学生的双向积极性，提高教学效率、提升教学水平。
教学中通过引入生动形象的实例，能让学生将学习的理论联系实际，加深学生对知识、概念的理解，提过学生学习兴趣和动力。
基金项目：湖北省教育厅省级教学研究项目(2009187)，武汉科技大学机械自动化学院教学研究项目(jxyj200915)。
[参考文献]
[1]谢志刚,齐晓慧,王永川.自动控制原理教学中的方法论探讨[J].教学研究,2009,12期:31-32.
[2]马东梅.Simulink仿真软件在自动控制原理教学中的应用[J].现代电子技术，2005,28(8):34-36.
[3]杨叔子,杨克冲等.机械工程控制基础[M],武汉:华中科技大学出版社,2005.
[4]邹开凤,陈友龙.限压式变量叶片泵动态特性分析[J],机械与电子,2008,18期:31-32.116-117.
通信联系人：蒋林
（作者单位：武汉科技大学）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文