Hefei University

课程综述

课程题目： 计算机控制技术 姓 名： 李宏灶 学 号： 0805070110 专 业： 自动化(2)班 授课老师： 丁 健

一、计算机控制技术简介

工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术，它主要研究如何将计算机技术、通信技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。

计算机控制技术这门课程是自动化、测控技术与仪器专业以及相关专业的一门专业课，主要讲述计算机控制系统的基本结构、基本原理，计算机控制系统的数学描述及设计方法，计算机控制系统软、硬件的设计方法与实现途径。主要是培养学生理论联系实际，从实际出发分析问题、研究问题和解决问题的能力，将学生所学知识系统化。

二、计算机控制课程简介

第一章 绪论

介绍了计算机控制系统及其组成、计算机控制系统的典型形式及其发展和概况。

计算机控制系统(Computer Control System，简称CCS)是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。

计算机控制系统由工业控制机和生产过程两大部分组成。工业控制机硬件指计算机本身及外围设备。硬件包括计算机、过程输入输出接口、人机接口、外部存储器等。软件系统是能完成各种功能计算机程序的总和，通常包括系统软件跟应用软件。

典型的系统有操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统、综合自动化系统。

重点是掌握计算机控制系统的组成以及典型系统的特点和应用。

第二章 计算机控制系统的硬件设计技术

在计算机控制系统中，工业就控制机必须经过输入输出接口和过程通道相连。接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，包括输入和输出接口。过程通道是计算机与外部之间设置的信息传送和转换的连接通道，包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。

一、总线技术

总线的概念很简单，它就是将各部件连接到计算机处理器的一个元件。最常见的是从功能上来对数据总线进行划分，可以分为地址总线（address bus）、数据总线（data bus）和控制总线（control bus）。

二、数字量输入输出接口与过程通道

数字量输入通道（ DI 通道）的任务是把生产过程中的数字信号转换成计算机易于接受的形式，主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入口地址译码电路等组成。数字量输出通道组要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。

三、模拟量输入输出接口与过程通道

模拟量输入通道一般由I\V变换、多路转换器、采样保持器、A\D转换器、接口和控制

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逻辑组成。模拟量输出通道一般由接口电路、D\A转换器、V\I变换等组成，其结构形式主要取决于输出保持器的构成方式。

重点是掌握总线和端口的概念分类以及端口地址的分配；数字量模拟量输入输出接口和过程通道的构成以及各组成部分的详细作用。

第三章 数字控制技术

数字控制技术就是生产机械根据数字计算机输出的数字信号，按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动完成工作的控制方式。

一、逐点比较法插补原理

1、曲线分段

将曲线分割成若干段，可以是直线段，也可以是曲线段，分割成了三段。把各分段点坐标记下来并送给计算机。图形分割原则应保证线段所连的曲线与原图形误差在允许范围内。

2、插值（或插补）

当给定各点坐标x和y值之后，求得各坐标值间的中间值的数值计算方法称插值或插补。 直线插补：在给定的两个基点之间用一条近似直线来逼近。 二次曲线插补：在给定的两个基点之间用一条近似曲线来逼近。

3、绘图或加工

把插补运算过程中定出的各中间点，以脉冲信号形式去控制x、y方向上的步进电机，带动绘图笔、刀具等，绘出图形或加工所要求轮廓。每一个脉冲信号代表步进电机走一步，即绘图笔或刀具在x或y方向移动一个位置。对应于每个脉冲移动的相对位置称为脉冲当量，又称为步长，常用△x和△y表示，且总是取△x=△y。

二、多轴步进驱动控制技术

步进电机又称为脉冲电机，是计算机控制系统的一种执行元件。其功用是将脉冲电信号转换成相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲信号，电动机就转动一个角度或前进一步，

步进电机可工作于单向通电方式、双向通电方式、单双向交叉通电方式。三相异步电机则有单三拍、双三拍、三相六拍三种工作方式。

重点是掌握逐点插补比较法的原理，主要是直线插补与圆弧插补；掌握三相异步电机的工作方式。

第四章 常规及复杂控制技术

一、数字控制器的连续化设计技术

数字控制器的连续化设计是忽略控制回路中所有的零阶保持器和采样器，在S域中按连续系统进行设计，然后通过某种近似将连续控制器离散化为数字控制器，并由计算机来实现。

数字控制器的连续化设计步骤：

(1)设计假想的连续控制器

(2)选择采样周期T

(3)将D(s)离散化为D(z)

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(4)设计由计算机实现的控制算法

(5)校验 控制器D(z)设计完成并求出控制算法后，需要检验其闭环特性是否符合设计要求，可采用数字仿真来验证，若满足设计要求，设计结束，否则应修改设计。

G(s)是被控对象的传递函数，H(s)是零阶保持器，D(z)是数字控制器。设计问题是：根据已知的系统性能指标和G(s)来设计出数字控制器D(z)。

二、数字控制器的离散化设计技术

由于控制任务需要，当所选择的采样周期比较大或对控制质量要求比较高时，必须从被控对象的特性出发，直接根据计算机控制理论(采样控制理论)来设计数字控制器，这类方法称为离散化设计方法。

数字控制器的离散化设计步骤：

(1)根据控制系统的性能指标及约束条件，确定所需闭环系统的脉冲传递函数；

(2)求广义对象的脉冲传递函数

(3)求数字控制器的脉冲传递函数

(4)求控制量的递推计算公式

三、纯滞后控制技术

史密斯(Smith)预估控制

基本思想是建立过程的动态特性的模型；将模型加入到反馈控制系统中，有延迟的一部分用于抵消被延迟了τ的被控量；无延迟部分反映到调节器，让调节器提前动作，从而可明显地减少超调量和加快调节过程。预估是纯滞后控制中的基本方法。

四、解耦控制技术

所谓解耦控制系统，就是采用某种结构，寻找合适的控制规律来消除系统种各控制回路之间的相互耦合关系，使每一个输入只控制相应的一个输出，每一个输出又只受到一个控制的作用。 解耦控制是一个既古老又极富生命力的话题，不确定性是工程实际中普遍存在的棘手现象。解耦控制是多变量系统控制的有效手段。

重点是掌握数字控制器连续化、离散化的设计，史密斯预估控制和达林算法，了解解耦控制。

第五章 现代控制技术

建立在状态空间法基础上的一种控制理论，是自动控制理论的一个主要组成部分。在现代控制理论中，对控制系统的分析和设计主要是通过对系统的状态变量的描述来进行的，基本的方法是时间域方法。现代控制理论比经典控制理论所能处理的控制问题要广泛得多，包括线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统，单变量系统和多变量系统。它所采用的方法和算法也更适合于在数字计算机上进行。

第六章 先进控制技术

一、模糊控制系统

模糊控制系统通常由模糊控制器、输入输出接口、执行机构、测量装置和被控对象等组

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成；模糊控制器主要包括输入量模糊化接口、知识库、推理机、输出清晰化接口四个部分

二、模糊控制器设计

设计一个模糊控制系统的关键是设计模糊控制器，而设计模糊控制器需要：选择模糊控制器的结构、选取模糊规则、确定模糊化和清晰化方法、确定模糊控制器的参数、编写模糊控制算法程序。

重点是掌握模糊控制系统的组成和及其设计方法。

第七章 计算机控制系统软件设计

软件是计算机系统中与硬件相互依存的另一部分，它是包括程序，数据及其相关文档的完整集合；程序是按事先设计的功能和性能要求执行的指令序列；数据是使程序能正常操纵信息的数据结构；文档是与程序开发，维护和使用有关的图文材料。

一、人机接口(HML/SCADA)技术

HML广义的解释就是使用者与机器间的沟通、传达及接收信号的一个接口。HML系统具有：实时资料趋势显示、历史资料趋势显示、自动记录资料、警报的产生与记录、报表的产生与打印、图形接口控制等几项基本能力。

凡是具有系统监控和数据采集功能的软件都可称为SCADA。与硬件设备的连接方式主要有三种：标准通信协议、标准的资料交换接口、绑定驱动。

二、软件抗干扰技术

干扰：是指有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。干扰源：产生干扰信号的原因干扰对象：干扰源通过传播途径影响的器件或系统干扰系统的三个要素：干扰源、传播途径及干扰对象。抗干扰技术就是通过对这三要素中的一个或多个采取必要措施来实现的。

软件陷阱：软件陷阱是在非程序区的特定地方设置一条引导引导指令（看作一个陷阱），程序正常运行，不会落入该引导指令的陷阱，当CPU受到干扰，程序“跑飞”时，如果落入指令陷阱，将由引导指令将“跑飞”的程序强制跳转到出错处理程序，由该程序段进行出错处理和程序恢复。

第八章 分布式测控网络技术

一、工业网络技术

介绍了工业网络的构建方法及测试技术，从信息网络和控制网络两个层次进行编写，主要内容包括计算机网络体系结构、局域网技术、工业以太网、CAN总线技术、DeviceNet现场总线、DeviceNet节点设计与组网、ControlNet现场总线、工业网络及其应用。

二、分布式控制系统(DCS)

DCS的集成性则体现在两个方面：功能的集成和产品的集成。如今的DCS中除保留传统DCS所实现的过程控制功能之外，还集成了PLC（可编程逻辑控制器）、RTU（采集发送器）、FCS、各种多回路调节器、各种智能采集或控制单元等。

第九章 计算机控制系统设计与实现

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一、系统设计的原则与步骤

计算机控制系统的理论设计包括：建立被控对象的数学模型；确定满足一定技术经济指标的系统目标函数，寻求满足该目标函数的控制规律；选择适宜的计算方法和程序设计语言；进行系统功能的软、硬件界面划分，并对硬件提出具体要求。

(1) 原则：操作性能好，维护与维修方便；通用性好，便于扩展；可靠性高；实时性好，适应性强；经济效益好。

(2) 步骤：确定任务阶段；工程设计阶段；离线仿真和调试阶段；在线调试和投运阶段。

二、系统的工程设计与实现

(1) 设计原则：

对于不同的控制对象，系统的设计方案和具体的技术指标是不同的，但控制系统的设计原则是相同的。这就是满足工艺要求，可靠性高，操作性能好，实时性强，通用性好，经济效益高。

(2) 实现介绍：

作为一个计算机控制系统的工程项目，在设计研制过程中应经过哪些步骤，这是需要认真考虑的。如果步骤不清，或者每一步需要做什么不明确，就有可能引起研制过程中的混乱甚至返工。计算机控制系统的研制过程一般可分为4个阶段：准备阶段、设计阶段、仿真及调试阶段和现场调试运行阶段。

三、课程学习总结

自己感觉这门课是一门实践性与理论性很强的技术课程，它要求有较强的编程、操作及理论、算法分析能力。学习的重点是理解各种控制系统的工作原理，理解掌握不同控制系统的算法，要学会自己设计控制器。

通过本课程的学习，使自己掌握计算机控制系统的基本设计方法。使自己在学完单片微机原理及应用的基础上，掌握了输入输出接口电路设计方法；进而学习了将生产现场各种物理量引入计算机中的方法。通过学习典型计算机控制系统设计，提高了计算机控制系统设计的能力。

在此要感谢授课老师丁健老师的辛勤教导，虽然自己学的可能并不好，但对自己还是有很大帮助的！！

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第二篇：胡计算机控制技术课程综述

Hefei University

课程综述

课程题目： 计算机控制技术 姓 名： 胡年军 学 号： 0805070111 专 业： 自动化(1)班 授课老师： 丁 健

一、计算机控制技术简介

计算机控制技术是一门以电子技术、自动控制技术、计算机应用技术为基础，以计算机控制技术为核心，综合可编程控制技术、单片机技术、计算机网络技术，从而实现生产技术的精密化、生产设备的信息化、生产过程的自动化及机电控制系统的最佳化的专门学科。

工业控制是计算机的一个重要应用领域，计算机控制正是为了适应这一领域的需要而发展起来的一门专业技术，它主要研究如何将计算机技术、通信技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。

计算机控制技术这门课程是自动化、测控技术与仪器专业以及相关专业的一门专业课，主要讲述计算机控制系统的基本结构、基本原理，计算机控制系统的数学描述及设计方法，计算机控制系统软、硬件的设计方法与实现途径。主要是培养学生理论联系实际，从实际出发分析问题、研究问题和解决问题的能力，将学生所学知识系统化。

二、计算机控制课程简介

第一章 绪论

介绍了计算机控制系统及其组成、计算机控制系统的典型形式及其发展和概况。

计算机控制系统(Computer Control System，简称CCS)是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。

计算机控制系统由工业控制机和生产过程两大部分组成。工业控制机硬件指计算机本身及外围设备。硬件包括计算机、过程输入输出接口、人机接口、外部存储器等。软件系统是能完成各种功能计算机程序的总和，通常包括系统软件跟应用软件。

典型的系统有操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督控制系统、集散控制系统、现场总线控制系统、综合自动化系统。

第二章 计算机控制系统的硬件设计技术

在计算机控制系统中，工业就控制机必须经过输入输出接口和过程通道相连。接口是计算机与外部设备交换信息的桥梁，包括输入和输出接口。过程通道是计算机与外部之间设置的信息传送和转换的连接通道，包括模拟量输入输出通道和数字量输入输出通道。

一、总线技术

总线的概念很简单，它就是将各部件连接到计算机处理器的一个元件。最常见的是从功能上来对数据总线进行划分，可以分为地址总线（address bus）、数据总线（data bus）和控制总线（control bus）。

二、数字量输入输出接口与过程通道

数字量输入通道（ DI 通道）的任务是把生产过程中的数字信号转换成计算机易于接受的形式，主要由输入缓冲器、输入调理电路、输入口地址译码电路等组成。数字量输出通道组要由输出锁存器、输出驱动电路、输出口地址译码电路等组成。

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三、模拟量输入输出接口与过程通道

模拟量输入通道一般由I\V变换、多路转换器、采样保持器、A\D转换器、接口和控制逻辑组成。模拟量输出通道一般由接口电路、D\A转换器、V\I变换等组成，其结构形式主要取决于输出保持器的构成方式。

重点是掌握总线和端口的概念分类以及端口地址的分配；数字量模拟量输入输出接口和过程通道的构成以及各组成部分的详细作用。

第三章 数字控制技术

数字控制技术就是生产机械根据数字计算机输出的数字信号，按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动完成工作的控制方式。

一、逐点比较法插补原理

1、曲线分段

将曲线分割成若干段，可以是直线段，也可以是曲线段，分割成了三段。把各分段点坐标记下来并送给计算机。图形分割原则应保证线段所连的曲线与原图形误差在允许范围内。

2、插值（或插补）

当给定各点坐标x和y值之后，求得各坐标值间的中间值的数值计算方法称插值或插补。 直线插补：在给定的两个基点之间用一条近似直线来逼近。 二次曲线插补：在给定的两个基点之间用一条近似曲线来逼近。

3、绘图或加工

把插补运算过程中定出的各中间点，以脉冲信号形式去控制x、y方向上的步进电机，带动绘图笔、刀具等，绘出图形或加工所要求轮廓。每一个脉冲信号代表步进电机走一步，即绘图笔或刀具在x或y方向移动一个位置。对应于每个脉冲移动的相对位置称为脉冲当量，又称为步长，常用△x和△y表示，且总是取△x=△y。

二、多轴步进驱动控制技术

步进电机又称为脉冲电机，是计算机控制系统的一种执行元件。其功用是将脉冲电信号转换成相应的角位移或直线位移，即给一个脉冲信号，电动机就转动一个角度或前进一步，

步进电机可工作于单向通电方式、双向通电方式、单双向交叉通电方式。三相异步电机则有单三拍、双三拍、三相六拍三种工作方式。

重点是掌握逐点插补比较法的原理，主要是直线插补与圆弧插补；掌握三相异步电机的工作方式。

第四章 常规及复杂控制技术

一、数字控制器的连续化设计技术

数字控制器的连续化设计是忽略控制回路中所有的零阶保持器和采样器，在S域中按连续系统进行设计，然后通过某种近似将连续控制器离散化为数字控制器，并由计算机来实现。

数字控制器的连续化设计步骤：

(1)设计假想的连续控制器

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(2)选择采样周期T

(3)将D(s)离散化为D(z)

(4)设计由计算机实现的控制算法

(5)校验 控制器D(z)设计完成并求出控制算法后，需要检验其闭环特性是否符合设计要求，可采用数字仿真来验证，若满足设计要求，设计结束，否则应修改设计。

G(s)是被控对象的传递函数，H(s)是零阶保持器，D(z)是数字控制器。设计问题是：根据已知的系统性能指标和G(s)来设计出数字控制器D(z)。

二、数字控制器的离散化设计技术

由于控制任务需要，当所选择的采样周期比较大或对控制质量要求比较高时，必须从被控对象的特性出发，直接根据计算机控制理论(采样控制理论)来设计数字控制器，这类方法称为离散化设计方法。

数字控制器的离散化设计步骤：

(1)根据控制系统的性能指标及约束条件，确定所需闭环系统的脉冲传递函数；

(2)求广义对象的脉冲传递函数

(3)求数字控制器的脉冲传递函数

(4)求控制量的递推计算公式

三、纯滞后控制技术

史密斯(Smith)预估控制

基本思想是建立过程的动态特性的模型；将模型加入到反馈控制系统中，有延迟的一部分用于抵消被延迟了τ的被控量；无延迟部分反映到调节器，让调节器提前动作，从而可明显地减少超调量和加快调节过程。预估是纯滞后控制中的基本方法。

四、解耦控制技术

所谓解耦控制系统，就是采用某种结构，寻找合适的控制规律来消除系统种各控制回路之间的相互耦合关系，使每一个输入只控制相应的一个输出，每一个输出又只受到一个控制的作用。 解耦控制是一个既古老又极富生命力的话题，不确定性是工程实际中普遍存在的棘手现象。解耦控制是多变量系统控制的有效手段。

重点是掌握数字控制器连续化、离散化的设计，史密斯预估控制和达林算法，了解解耦控制。

第五章 现代控制技术

建立在状态空间法基础上的一种控制理论，是自动控制理论的一个主要组成部分。在现代控制理论中，对控制系统的分析和设计主要是通过对系统的状态变量的描述来进行的，基本的方法是时间域方法。现代控制理论比经典控制理论所能处理的控制问题要广泛得多，包括线性系统和非线性系统，定常系统和时变系统，单变量系统和多变量系统。它所采用的方法和算法也更适合于在数字计算机上进行。

第六章 先进控制技术

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一、模糊控制系统

模糊控制系统通常由模糊控制器、输入输出接口、执行机构、测量装置和被控对象等组成；模糊控制器主要包括输入量模糊化接口、知识库、推理机、输出清晰化接口四个部分

二、模糊控制器设计

设计一个模糊控制系统的关键是设计模糊控制器，而设计模糊控制器需要：选择模糊控制器的结构、选取模糊规则、确定模糊化和清晰化方法、确定模糊控制器的参数、编写模糊控制算法程序。

重点是掌握模糊控制系统的组成和及其设计方法。

第七章 计算机控制系统软件设计

软件是计算机系统中与硬件相互依存的另一部分，它是包括程序，数据及其相关文档的完整集合；程序是按事先设计的功能和性能要求执行的指令序列；数据是使程序能正常操纵信息的数据结构；文档是与程序开发，维护和使用有关的图文材料。

一、人机接口(HML/SCADA)技术

HML广义的解释就是使用者与机器间的沟通、传达及接收信号的一个接口。HML系统具有：实时资料趋势显示、历史资料趋势显示、自动记录资料、警报的产生与记录、报表的产生与打印、图形接口控制等几项基本能力。

凡是具有系统监控和数据采集功能的软件都可称为SCADA。与硬件设备的连接方式主要有三种：标准通信协议、标准的资料交换接口、绑定驱动。

二、软件抗干扰技术

干扰：是指有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素。干扰源：产生干扰信号的原因干扰对象：干扰源通过传播途径影响的器件或系统干扰系统的三个要素：干扰源、传播途径及干扰对象。抗干扰技术就是通过对这三要素中的一个或多个采取必要措施来实现的。

软件陷阱：软件陷阱是在非程序区的特定地方设置一条引导引导指令（看作一个陷阱），程序正常运行，不会落入该引导指令的陷阱，当CPU受到干扰，程序“跑飞”时，如果落入指令陷阱，将由引导指令将“跑飞”的程序强制跳转到出错处理程序，由该程序段进行出错处理和程序恢复。

第八章 分布式测控网络技术

一、工业网络技术

介绍了工业网络的构建方法及测试技术，从信息网络和控制网络两个层次进行编写，主要内容包括计算机网络体系结构、局域网技术、工业以太网、CAN总线技术、DeviceNet现场总线、DeviceNet节点设计与组网、ControlNet现场总线、工业网络及其应用。

二、分布式控制系统(DCS)

DCS的集成性则体现在两个方面：功能的集成和产品的集成。如今的DCS中除保留传统DCS所实现的过程控制功能之外，还集成了PLC（可编程逻辑控制器）、RTU（采集发送器）、

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FCS、各种多回路调节器、各种智能采集或控制单元等。

第九章 计算机控制系统设计与实现

一、系统设计的原则与步骤

计算机控制系统的理论设计包括：建立被控对象的数学模型；确定满足一定技术经济指标的系统目标函数，寻求满足该目标函数的控制规律；选择适宜的计算方法和程序设计语言；进行系统功能的软、硬件界面划分，并对硬件提出具体要求。

(1) 原则：操作性能好，维护与维修方便；通用性好，便于扩展；可靠性高；实时性好，适应性强；经济效益好。

(2) 步骤：确定任务阶段；工程设计阶段；离线仿真和调试阶段；在线调试和投运阶段。

二、系统的工程设计与实现

(1) 设计原则：

对于不同的控制对象，系统的设计方案和具体的技术指标是不同的，但控制系统的设计原则是相同的。这就是满足工艺要求，可靠性高，操作性能好，实时性强，通用性好，经济效益高。

(2) 实现介绍：

作为一个计算机控制系统的工程项目，在设计研制过程中应经过哪些步骤，这是需要认真考虑的。如果步骤不清，或者每一步需要做什么不明确，就有可能引起研制过程中的混乱甚至返工。计算机控制系统的研制过程一般可分为4个阶段：准备阶段、设计阶段、仿真及调试阶段和现场调试运行阶段。

三、课程学习总结

这门课是一门实践性与理论性很强的技术课程，它要求有较强的编程、操作及理论、算法分析能力。学习的重点是理解各种控制系统的工作原理，理解掌握不同控制系统的算法，要学会自己设计控制器。

通过本课程的学习，使自己掌握计算机控制系统的基本设计方法。使自己在学完单片微机原理及应用的基础上，掌握了输入输出接口电路设计方法；进而学习了将生产现场各种物理量引入计算机中的方法。通过学习典型计算机控制系统设计，提高了计算机控制系统设计的能力。

有时候，我们学习了一些知识，当时能记住，但过会儿就忘记了，这就与记忆方法有关。我认为，在学习过程中，看、写、读、听、背，多管齐下效率高，也记得牢。所以，我们在学习过程中，可以尝试着“看写读听背”一并运用，一并提高。过后，每隔一段时间就重复知识，也就是定时复习。这种学习方法，能减低遗忘率，更有效地记住知识。

开学时,老师曾对我们说：“行动是最好的语言。”“吃得苦中苦，方为人上人。”其实，如果能做到这几点，成绩必然提高。学习是一件苦差事，但苦中有乐。只有克服重重困难，吃的下学习过程中的苦，才能超越自我，获得成功。而行动比任何计划、检讨更有用。说得天花乱坠，却没有实际行动，那又有什么用呢？行胜于言。

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在此要感谢授课老师丁健老师的辛勤教导，虽然自己学的可能并不好，但对自己还是有很大帮助的！！

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