《現(xiàn)代控制理論》課程教學(xué)改革的探索與實踐

王俊　干開峰　劉偉　鄭娟

摘要：筆者在研讀華盛頓協(xié)議11條能力培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，從學(xué)生畢業(yè)就業(yè)方向出發(fā)，挖掘能力要素，構(gòu)建能力培養(yǎng)體系，改革理論教學(xué)、實踐教學(xué)與自主學(xué)習(xí)內(nèi)容，完善考核辦法，體現(xiàn)自主學(xué)習(xí)要求，實現(xiàn)從知識輸入為主向能力輸出為主的培養(yǎng)模式改革。三屆學(xué)生實踐表明教學(xué)效果良好。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代控制理論；教學(xué)；改革

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）03-0123-02

《現(xiàn)代控制理論》課程是自動化專業(yè)本科生必修的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，是具有一般方法論性質(zhì)的技術(shù)理論基礎(chǔ)課。本課程以控制系統(tǒng)為研究對象，既綜合運用了本專業(yè)前期開設(shè)的數(shù)學(xué)、物理、電路、電子技術(shù)、電機與拖動基礎(chǔ)、自動控制原理等課程知識，又將信息論、控制論與系統(tǒng)論的許多概念和理論與工程實際相結(jié)合，拓寬和引進(jìn)了許多新概念、新知識，為本專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程進(jìn)一步增強了理論基礎(chǔ)與工程意識，提高了綜合運用所學(xué)知識分析問題的能力。經(jīng)典控制理論使用微分方程、傳遞函數(shù)等描述系統(tǒng)的運動規(guī)律，而現(xiàn)代控制理論采用的是狀態(tài)空間法，就是用一組狀態(tài)變量的一階微分方程組作為系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，廣泛使用矩陣等高等代數(shù)知識，使許多學(xué)生認(rèn)為這門課就是一門數(shù)學(xué)課。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及加強能力培養(yǎng)，我們在教學(xué)過程中做了一系列的教學(xué)改革。

一、教學(xué)內(nèi)容的改革

學(xué)習(xí)《現(xiàn)代控制理論》課程，合肥學(xué)院自動化專業(yè)學(xué)生一直使用機械工業(yè)出版社的“十一五”國家級規(guī)劃教材《現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)》（王孝武教授主編）作為教材，全書共6章，前5章為課堂講授內(nèi)容，第6章為自學(xué)內(nèi)容，主要掌握最優(yōu)控制問題的提法、最優(yōu)控制問題的定義，了解常用的解法和我國航空航天工程的成就。改革之前該課程3.5學(xué)分，42學(xué)時理論教學(xué)，6學(xué)時實驗；改革后該課程5學(xué)分，140學(xué)時學(xué)習(xí)總量，包括：40學(xué)時理論教學(xué)、8學(xué)時實驗、8學(xué)時仿真、1周實訓(xùn)、60學(xué)時自主學(xué)習(xí)。從學(xué)時分配和內(nèi)容變化上就可以看出對能力培養(yǎng)的重視。

1.理論教學(xué)。從第1章開始，除了書中的例題外，把實驗室一階倒立擺、三容水箱實驗裝置引入課堂教學(xué)，建立了這兩個實驗裝置的數(shù)學(xué)模型；基于齊次狀態(tài)方程、非其次狀態(tài)方程，分析系統(tǒng)的運動規(guī)律；采用多種方法判斷系統(tǒng)的能控性、能觀性，在適當(dāng)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，可對系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性分解；針對系統(tǒng)的非線性模型、線性化模型分析系統(tǒng)的Lyapunov穩(wěn)定性、BIBO穩(wěn)定性；采用狀態(tài)反饋、輸出反饋，對系統(tǒng)極點進(jìn)行配置；設(shè)計內(nèi)膜控制器，實現(xiàn)漸近跟蹤與干擾抑制；對三容水箱設(shè)計解耦控制器，實現(xiàn)多輸入多輸出系統(tǒng)的解耦控制。在整個理論教學(xué)過程中，明確理論的工程價值與應(yīng)用背景，強調(diào)理論的應(yīng)用與應(yīng)用的理論。

2.實踐教學(xué)。在課程教學(xué)改革中，強化了實踐教學(xué)，8學(xué)時實驗分為1個驗證性實驗和2個設(shè)計性實驗；8學(xué)時仿真分為4個上機實驗，在Matlab環(huán)境下對書中所有例題進(jìn)行編程驗證；1周實訓(xùn)要求同學(xué)們能將三容水箱實驗系統(tǒng)運行起來，并能排除老師設(shè)置的運行故障；在自主學(xué)習(xí)中也安排了3個實訓(xùn)項目。

3.自主學(xué)習(xí)內(nèi)容。傳統(tǒng)的自主學(xué)習(xí)包括課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)、做作業(yè)、實驗前預(yù)習(xí)、編寫實驗報告等；在課程教學(xué)改革中，規(guī)定了自學(xué)內(nèi)容，明確納入閉卷考試范圍，還增加了三個項目。項目一：一階倒立擺系統(tǒng)的建模。針對實驗室一階倒立擺實驗裝置，考察學(xué)生對控制系統(tǒng)的觀察能力、認(rèn)知能力、機理分析與數(shù)學(xué)建模能力，提交項目報告。項目二：一階倒立擺系統(tǒng)的控制設(shè)計與實現(xiàn)。根據(jù)項目一的結(jié)果，在Matlab/Simulink環(huán)境下，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的性能分析與控制實現(xiàn)以及變量的圖形表示，重點考察學(xué)生對控制理論的理解，培養(yǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計能力和編程能力。項目三：三容水箱的建模、控制設(shè)計與實現(xiàn)。就是把項目一和項目二的內(nèi)容重做一遍。項目一和項目二的考核成績各占課程成績的15%。

二、工程能力體系的構(gòu)建與實現(xiàn)

能力包括一般能力和特殊能力。一般能力指在一項活動中表現(xiàn)出來的思維能力、學(xué)習(xí)能力、觀察力、記憶力等。特殊能力是指在特定的實踐活動中所必須具備的分析能力、組織能力、協(xié)調(diào)能力、創(chuàng)新能力等。高等工程教育中學(xué)生的工程能力特指學(xué)生的綜合素質(zhì)在工程實踐活動中表現(xiàn)出的實際本領(lǐng)和能量。自動化專業(yè)學(xué)生的工程能力內(nèi)涵包括五個方面。①控制工程的認(rèn)知能力，包括熟悉生產(chǎn)流程與工藝、自動化設(shè)備與設(shè)備操作；②自動控制工程設(shè)計能力，包括設(shè)計指標(biāo)、設(shè)計原則、設(shè)計方法與工程計算方法；③控制工程實施能力，包括項目管理、電路連接、機電設(shè)備連接、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與測試；④表達(dá)、交流與學(xué)習(xí)能力，具有廣泛交流、文字處理和語言表達(dá)與交流能力，具備終生學(xué)習(xí)的能力；⑤創(chuàng)造創(chuàng)新能力，具有設(shè)計和開發(fā)較復(fù)雜技術(shù)系統(tǒng)的創(chuàng)造創(chuàng)新能力，能適應(yīng)和勝任多變的職業(yè)領(lǐng)域，了解工程與社會間的復(fù)雜關(guān)系，能勝任跨學(xué)科合作的協(xié)調(diào)和合作能力?！冬F(xiàn)代控制理論》課程的工程能力包括：控制工程認(rèn)知能力、自動控制工程設(shè)計能力、工程實踐與項目管理能力、表達(dá)交流與自學(xué)能力、創(chuàng)造創(chuàng)新能力等，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

用狀態(tài)空間法對MIMO復(fù)雜系統(tǒng)建模，并進(jìn)一步通過狀態(tài)方程求解分析、研究線性控制系統(tǒng)的運動規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生觀察問題、機理分析與建模的能力；研究線性系統(tǒng)的能控性、能觀性與結(jié)構(gòu)分解以及一般系統(tǒng)的穩(wěn)定性，培養(yǎng)學(xué)生知識學(xué)習(xí)與應(yīng)用能力、邏輯思維能力、創(chuàng)新與創(chuàng)造能力；研究線性定常系統(tǒng)的綜合問題，包括狀態(tài)反饋和輸出反饋、極點配置、鎮(zhèn)定、狀態(tài)觀測器、解耦控制以及漸近跟蹤和干擾抑制等，培養(yǎng)學(xué)生的控制工程認(rèn)知能力、設(shè)計能力、解決問題與創(chuàng)新能力；最優(yōu)控制的基本思想以及最優(yōu)控制問題的提法、解法等，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力；實驗、仿真和實訓(xùn)培養(yǎng)學(xué)生的編程能力，系統(tǒng)維護維修與運行管理能力，工程實踐與項目管理能力，自主學(xué)習(xí)能力，表達(dá)交流與團隊精神。如在項目學(xué)習(xí)中，每班分成15組，每組3人，分工明確，在實踐不同項目時要重新組隊，不允許幾個人在一起做不同的項目?，F(xiàn)在的項目和實驗都來自于實驗室設(shè)備，將來要加強與企業(yè)的合作，項目內(nèi)容與企業(yè)深度融合，把學(xué)生的作品應(yīng)用于生產(chǎn)。在教學(xué)方法上，重點引入項目牽引教學(xué)法、基于問題的研究性教學(xué)法、討論式教學(xué)法、實驗實踐法和自主學(xué)習(xí)法。

三、考核方法的改革

改革前該課程的考核基本上都是采用課程結(jié)束后的閉卷考試加實驗成績的辦法，這種方法不能很好地體現(xiàn)對學(xué)生能力培養(yǎng)的要求。改革以后課程成績由下面5個部分組成。

1.項目一：一階倒立擺系統(tǒng)的建模，提交項目報告，占15%；由學(xué)生自主學(xué)習(xí)完成。

2.項目二：一階倒立擺系統(tǒng)的控制設(shè)計與實現(xiàn)，提交項目報告，占15%；由學(xué)生自主學(xué)習(xí)完成。

3.項目三：三容水箱的控制、故障檢測與系統(tǒng)維護、維修與運行（1周實訓(xùn)），提交項目報告，分組答辯，占15%。

以上三個項目，全部通過，且實驗、仿真和作業(yè)全部完成的同學(xué)才能參加最后的閉卷考試！

4.學(xué)習(xí)筆記：重點檢查學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的預(yù)習(xí)情況、自主學(xué)習(xí)情況、學(xué)習(xí)內(nèi)容的分析、總結(jié)與固化水平，占10%。

5.結(jié)束后閉卷考試：重點檢查學(xué)生對本課程基礎(chǔ)知識的掌握與應(yīng)用情況，占45%，最低控制線60分。

四、總結(jié)

該課程在第六學(xué)期開設(shè)，從2012年開始改革，已經(jīng)歷了三屆學(xué)生，學(xué)生普遍反映這門課的教學(xué)內(nèi)容與實驗設(shè)備密切結(jié)合，增加了學(xué)習(xí)興趣，也培養(yǎng)了自己的動手實踐能力，學(xué)生課程成績不斷提高。特別是學(xué)習(xí)了現(xiàn)代控制理論以后，學(xué)生在各類科技競賽活動中成績不斷提高，如2014年7月在第九屆“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能車競賽安徽賽區(qū)比賽中，獲一等獎2項、二等獎5項，并有1支隊伍入圍全國總決賽；2014年7月有一個隊代表學(xué)院首次參加全國大學(xué)生“西門子杯”工業(yè)自動化挑戰(zhàn)賽，取得華東三分賽區(qū)二等獎、安徽賽區(qū)三等獎的好成績，并將參加全國賽。

下一步逐漸將一些典型的自動化產(chǎn)品引入教材、引入課堂教學(xué)、引入實踐教學(xué)，把應(yīng)用型人才培養(yǎng)落在實處。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡敬民.基于能力導(dǎo)向的模塊化教學(xué)體系構(gòu)建——以合肥學(xué)院為例[M].中國科技大學(xué)出版社，2012.

[2]杜曉冬，王俊，等.工程應(yīng)用型自動化專業(yè)學(xué)生能力培養(yǎng)模式研究與體系構(gòu)建[J].教育教學(xué)論壇，2011，（7）：59-51.

[3]岳繼光，余有靈.等.堅持控制理論特色，注重工程能力培養(yǎng)[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報（高教研究版），2011，（32）：1-3.endprint