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摘要：首先，介紹了控制理論在電氣工程中的重要地位及這門科學(xué)的發(fā)展歷程。然后，闡述了這門科學(xué)在電氣工程中的應(yīng)用。再次，討論了控制理論的教材與教育現(xiàn)狀，提出了一些改進(jìn)的方法。最后，對(duì)控制理論未來的發(fā)展進(jìn)行了合理的分析與展望。

關(guān)鍵詞：控制理論電氣工程應(yīng)用教育

1引言

現(xiàn)今，電氣工程已經(jīng)深入工農(nóng)業(yè)、交通、醫(yī)療及科學(xué)研究等各方面，其發(fā)展水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家科技水平的重要指標(biāo)。因此，控制理論作為電氣工程及其相關(guān)專業(yè)的關(guān)鍵課程，越來越受到重視。在工業(yè)生產(chǎn)中，控制理論指導(dǎo)著電氣工程的生產(chǎn)運(yùn)行。各企業(yè)、工廠總是不斷的改進(jìn)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電氣工程系統(tǒng)的自動(dòng)化與智能化運(yùn)行，確保電氣工程系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行與功能的有效發(fā)揮。

2控制理論的發(fā)展歷程

十九世紀(jì)中期麥克斯韋爾給出了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件之后，勞斯和霍爾維茨分別給出了高階線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)。十九世紀(jì)末期，李雅普諾夫和維什哥熱斯基給出了非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)并用數(shù)學(xué)理論對(duì)其進(jìn)行了描述。后來，齊格勒和尼科爾斯給出了PID控制器的最優(yōu)參數(shù)整定法。柰奎斯特則提出了頻率域穩(wěn)定性判據(jù)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是只需獲取系統(tǒng)的頻率響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就能對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行建立和分析。波德在此基礎(chǔ)上提出了頻域響應(yīng)的對(duì)數(shù)坐標(biāo)描述方法。伊文斯則提出了根軌跡設(shè)計(jì)法，它建立了系統(tǒng)參數(shù)變換與時(shí)域性能變化之間的關(guān)系。至此，經(jīng)典控制理論部分已經(jīng)完整。二十世紀(jì)中期，航天航空的發(fā)展推動(dòng)了現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，一種基于線性代數(shù)的控制理論模型的分析方法就此誕生。此后，這門科學(xué)衍生出很多的分支，像最優(yōu)控制、魯棒控制、自適應(yīng)控制等。我國(guó)的控制理論研究與教育起步較晚，但在老一輩的科學(xué)家的奮斗和帶動(dòng)下，迎頭趕上。在建國(guó)后不久，就在各高校設(shè)立了相關(guān)的專業(yè)。我國(guó)兩彈一星的成功，也標(biāo)志了控制理論的小有所成。近些年，隨著國(guó)家對(duì)教育大力度的投入以及由國(guó)際環(huán)境帶動(dòng)的信息化革命，已經(jīng)使得控制理論侵入了大部分的工科的專業(yè)。目前，對(duì)該學(xué)科建設(shè)比較好的高校有清華大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、東北大學(xué)等。但是要認(rèn)識(shí)到，相對(duì)于美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)的控制理論還有一些差距。

3控制理論在電氣工程中的應(yīng)用

首先，如何讓電氣系統(tǒng)中獨(dú)立的單元相互配合，協(xié)調(diào)的完成工作就是控制理論及相關(guān)技術(shù)的職責(zé)所在。控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)，通過軟硬件組態(tài)對(duì)電氣工程執(zhí)行控制和管理。并且，還要根據(jù)供電方條件、需求和電氣設(shè)備的需求和特性進(jìn)行變電、配電系統(tǒng)的進(jìn)一步計(jì)量、控制的設(shè)計(jì)。其次，在運(yùn)行階段采用的最重要的方法是經(jīng)典控制理論里的PID控制算。該法簡(jiǎn)單便捷，但由于現(xiàn)在很多新生產(chǎn)環(huán)境條件多變，使得測(cè)量和修復(fù)數(shù)據(jù)過程的難度加大，因此出現(xiàn)了基于簡(jiǎn)單模糊控制器的速度控制、模糊PID控制以及基于自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)、自組織模糊控制器的速度控制。此外，近些年流行的智能自動(dòng)化保護(hù)技術(shù)中提出的分層式綜合自動(dòng)化裝置能夠適用于不同電壓等級(jí)電站，這就在很大程度上提高了電力系統(tǒng)的安全水平。最后，電氣工程相關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障的分析診斷及應(yīng)急處理等都已經(jīng)應(yīng)用了智能化的控制技術(shù)。

4控制理論的教育

國(guó)內(nèi)關(guān)于控制理論的書籍可謂不計(jì)其數(shù)，但質(zhì)量卻良莠不齊。這些教材，雖然對(duì)于具體原理、推論的解釋足夠深刻，但理論性太強(qiáng)，幾近沒有與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合的例子，這就給這門學(xué)科與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用造成了難以逾越的鴻溝。所以，讓人深感這門學(xué)科只是高深的數(shù)學(xué)游戲，在單純的堆砌公式。要想改變這種現(xiàn)狀，在介紹完理論后要適當(dāng)?shù)囊牒蜕钌a(chǎn)等與日常聯(lián)系緊密的實(shí)例，形象的說明其應(yīng)用范圍。由于實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境并不是理論里假設(shè)的理想條件，所以有必要說明這些理論應(yīng)用時(shí)會(huì)出現(xiàn)哪些誤差，為什么會(huì)出現(xiàn)這些問題以及如何修整參數(shù)以改善這些問題。在教學(xué)方面，很多高校也同樣不重視實(shí)踐教學(xué)和理論教學(xué)的交叉配合?？刂评碚撌抢弦惠吙茖W(xué)家從具體而實(shí)際的工程問題中抽象推演出來的，而今我們卻忘卻了再把理論應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)問題中，使得教學(xué)環(huán)節(jié)嚴(yán)重脫離生產(chǎn)實(shí)際。為此，我們首先要改變教學(xué)體系，增加以培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用能力為主導(dǎo)的實(shí)踐環(huán)節(jié)。在理論教學(xué)中，穿插一定的實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)，提高同學(xué)們對(duì)硬件設(shè)備的操作、電子儀器的使用、電子線路的設(shè)計(jì)調(diào)試等技能。然后，我們要增加生產(chǎn)實(shí)習(xí)和工程實(shí)訓(xùn)的環(huán)節(jié)，并注重學(xué)生的參與。讓學(xué)生不只是參觀，而是在力所能及的地方搭手實(shí)干。真實(shí)體會(huì)設(shè)備的制作與組裝工藝、運(yùn)行機(jī)理、性能測(cè)試、控制信號(hào)的測(cè)試、故障分析與排除等，體會(huì)控制理論在生產(chǎn)中的具體應(yīng)用。最后，在期末考核上也要給予上述環(huán)節(jié)一定的分?jǐn)?shù)作為激勵(lì)學(xué)生的手段。

5控制理論的展望

電氣工程在近幾年不斷獲得突破式的進(jìn)展離不開控制理論在該領(lǐng)域的應(yīng)用，因此讓人不禁展望其未來的發(fā)展方向。首先，控制理論會(huì)使電氣工程會(huì)從粗獷式發(fā)展向高精尖發(fā)展快速過渡。例如在電氣工業(yè)中，普遍使用的PLC將會(huì)采用更微小的納米級(jí)處理器，以及固態(tài)硬盤等。從體形上看，這套系統(tǒng)將越來越小，甚至達(dá)到便攜級(jí)別。較高端的控制理論也會(huì)更多的融合入其發(fā)展中，使系統(tǒng)采用更先進(jìn)的算法以承載更大數(shù)量級(jí)，更多維的運(yùn)算。再次，是控制理論與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合。電氣工程的運(yùn)行欲更加安全可靠，其數(shù)據(jù)通信功能的強(qiáng)化是不可或缺的。更科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可使故障數(shù)據(jù)更快的傳遞至分析設(shè)備，以及時(shí)調(diào)整控制策略。最后，隨著AlphaGo在圍棋比賽上戰(zhàn)勝李世石事件的大熱，今后控制理論會(huì)帶動(dòng)電氣工程向著人工智能的方向發(fā)展。這門技術(shù)可使機(jī)器獨(dú)立地完成對(duì)各領(lǐng)域部件的控制，使電氣工程的自動(dòng)化程度更高。綜上，控制理論在電氣工程中的應(yīng)用廣泛，具有很好的發(fā)展前景。我們要不斷提升控制理論的水平，使其更好地服務(wù)于社會(huì)主義經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)生活、生產(chǎn)。

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作者：高運(yùn) 單位：沈陽旭日旺財(cái)控制系統(tǒng)有限公司