應(yīng)用型大學(xué)現(xiàn)代控制理論教學(xué)方式探討

賀躍幫+王天雷

摘 要 針對(duì)現(xiàn)代控制理論課程的特點(diǎn)以及應(yīng)用型大學(xué)要求，本文針對(duì)課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及考核方式等方面討論了現(xiàn)代控制理論教學(xué)的一些方法，提出了一些見解，并將上述方法應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)工作中，取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 現(xiàn)代控制 教學(xué)方法 實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.02.042

Abstract According to the characteristics of the course of modern control theory and application requirements of the University， based on classroom teaching， experiment teaching and assessment methods are discussed. Some methods of modern control theory teaching， puts forward some opinions， and applied to the actual teaching work， and achieved good teaching effect.

Keywords modern control； teaching methods； practice teaching

1現(xiàn)代控制課程特點(diǎn)及現(xiàn)狀分析

現(xiàn)代控制理論這門課程是高等工科院校自動(dòng)化專業(yè)的一門重要的專業(yè)核心課程。[1，2]它以高等數(shù)學(xué)，線性代數(shù)，復(fù)變函數(shù)，自動(dòng)控制原理為基礎(chǔ)，理論性強(qiáng)，內(nèi)容豐富，概念抽象，數(shù)學(xué)推理與矩陣運(yùn)算多，導(dǎo)致學(xué)生要掌握難度很大。長期以來，該課僅有以教師為中心的課堂教學(xué)模式，沒有實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生難以應(yīng)用。盡管如此，近幾年，隨著各種大學(xué)生科技競(jìng)賽（如“恩智浦杯”智能汽車競(jìng)賽，電子設(shè)計(jì)大賽，機(jī)器人大賽）受到應(yīng)用型大學(xué)的重視與參與，也隨著我國產(chǎn)業(yè)升級(jí)，機(jī)器人在各行各業(yè)開始大量出現(xiàn)，現(xiàn)代控制理論知識(shí)的掌握與應(yīng)用已越來越重要。

作為培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)應(yīng)用型人才的五邑大學(xué)，近幾年已開始在教學(xué)大綱設(shè)計(jì)上側(cè)重大學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)，如增加實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)。同時(shí)也鼓勵(lì)各學(xué)院進(jìn)行教學(xué)改革，成立各種綜合實(shí)驗(yàn)班。與此同時(shí)，理論教學(xué)課時(shí)受到擠壓，導(dǎo)致目前現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)越發(fā)難以實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

基于以上情況，結(jié)合筆者這些年實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)，以及我校自動(dòng)化專業(yè)在校學(xué)生的實(shí)際情況，本文針對(duì)課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)和考核方式等方面改革做一些相關(guān)探討。

2 課堂教學(xué)的改革

2.1 變革課程教學(xué)方式

傳統(tǒng)的教學(xué)方式多數(shù)為以教師為中心的填鴨式教學(xué)。面對(duì)現(xiàn)代控制理論這種涉及到繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，較多抽象的概念，這種方式極易使學(xué)生產(chǎn)生恐懼心理和厭學(xué)情緒，也不能有效提高學(xué)生的創(chuàng)新性思維和實(shí)際應(yīng)用能力。而應(yīng)用型大學(xué)教學(xué)強(qiáng)調(diào)“應(yīng)用型”教學(xué)，在教學(xué)中增加更多的實(shí)際案例環(huán)節(jié)和互動(dòng)環(huán)節(jié)，積極引導(dǎo)學(xué)生自覺深入挖掘有用知識(shí)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)與應(yīng)用能力培養(yǎng)。[3]教師在現(xiàn)代控制理論教學(xué)中應(yīng)將應(yīng)用型與傳統(tǒng)型教學(xué)方式合理結(jié)合，既側(cè)重基礎(chǔ)知識(shí)講授，同時(shí)也要引導(dǎo)學(xué)生置身案例背景和角色中，積極思考、勤于應(yīng)用，為以后成為應(yīng)用型工程師打下堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)。

2.2 充分利用網(wǎng)絡(luò)資源

在網(wǎng)絡(luò)越來越發(fā)達(dá)的今天，應(yīng)充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，激發(fā)學(xué)生自覺探求現(xiàn)代控制理論知識(shí)，挖掘應(yīng)用方法和途徑。一方面鼓勵(lì)學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)（如斯坦福網(wǎng)絡(luò)公開課程，國內(nèi)精品課程等）學(xué)習(xí)現(xiàn)代控制理論知識(shí)；另一方面，教師需要與時(shí)俱進(jìn)，及時(shí)關(guān)注學(xué)生興趣熱點(diǎn)，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，合理更新教學(xué)案例。近年來，筆者根據(jù)學(xué)生的興趣，依賴網(wǎng)絡(luò)資源，編制了倒立擺，單球滾動(dòng)機(jī)器人，模型車，四旋翼無人機(jī)的教學(xué)案例，獲得了較好的教學(xué)效果。

2.3 在現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)中引入MATLAB軟件

現(xiàn)代控制理論課程內(nèi)容復(fù)雜抽象，要求基礎(chǔ)高，為在最短時(shí)間內(nèi)，將現(xiàn)代控制理論基本知識(shí)和應(yīng)用案例立體化呈現(xiàn)給學(xué)生，筆者在課堂教學(xué)中引入MATLAB。MATLAB軟件是一款編程語言簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代控制理論課程所需要的所有數(shù)學(xué)計(jì)算，是課堂快速實(shí)現(xiàn)案例建模，仿真，并呈現(xiàn)效果的少有幾款軟件之一。[4]

在課堂上，教師可以使用MATLAB軟件，根據(jù)教學(xué)進(jìn)度，依賴案例建模并編程，多角度仿真，可視化呈現(xiàn)各種理論應(yīng)用效果。學(xué)生在課堂上不僅能看到現(xiàn)代控制理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際的仿真過程，還能看到整個(gè)參數(shù)調(diào)試過程，再加上教師的詳細(xì)講解，這非常有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注問題的重點(diǎn)，也為課后學(xué)生實(shí)踐提供了指導(dǎo)意義。教學(xué)實(shí)踐表明，MATLAB的應(yīng)用，不僅能有效解決現(xiàn)代控制理論教學(xué)中理論知識(shí)講解和實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)的問題，還能增強(qiáng)教學(xué)的生動(dòng)性，提高教學(xué)效率。

3 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的改革

現(xiàn)代控制理論課程實(shí)踐性和應(yīng)用性很強(qiáng)，對(duì)學(xué)生的綜合素質(zhì)要求高，因此教學(xué)上不僅要精心設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，還要注重實(shí)踐教學(xué)，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和應(yīng)用能力。

3.1 合理安排實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，分析問題解決問題能力的重要環(huán)節(jié)。在保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)的基礎(chǔ)上，適當(dāng)加大設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)的比重，以培養(yǎng)學(xué)生綜合解決實(shí)際問題的能力，尤其是適當(dāng)提高教學(xué)案例在實(shí)驗(yàn)中的比例，可達(dá)到實(shí)驗(yàn)與教學(xué)互動(dòng)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效率。另外，教師可將實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書及實(shí)驗(yàn)任務(wù)提前布置給學(xué)生，讓學(xué)生利用MATLAB仿真軟件在計(jì)算機(jī)上提前仿真，仿真成功后再到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行硬件驗(yàn)證。這樣做可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)也能讓學(xué)生掌握仿真軟件的使用。

3.2 加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力

課程設(shè)計(jì)是將所學(xué)理論知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合的重要環(huán)節(jié)，是教學(xué)計(jì)劃中綜合性較強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。現(xiàn)代理論控制由于涉及的基礎(chǔ)較多，一到兩周時(shí)間內(nèi)，完全由學(xué)生獨(dú)立自主實(shí)現(xiàn)的可能性不高。因此，課程設(shè)計(jì)需依托學(xué)校實(shí)訓(xùn)基地或相關(guān)科技競(jìng)賽（已有相關(guān)硬件平臺(tái)）設(shè)計(jì)題目，以學(xué)生為主體，3-5人一組分工，先查找資料，建立控制對(duì)象模型，然后利用MATLAB仿真確定控制設(shè)計(jì)方案，并仿真調(diào)試。仿真調(diào)試成功后，再利用實(shí)訓(xùn)基地平臺(tái)，進(jìn)入實(shí)際系統(tǒng)軟件開發(fā)流程，最終做出實(shí)物。通過整個(gè)控制設(shè)計(jì)流程的訓(xùn)練，學(xué)生基本可以掌握控制系統(tǒng)開發(fā)流程，為畢業(yè)后走上相關(guān)工作崗位打下基礎(chǔ)。

3.3 引導(dǎo)學(xué)生參加科技競(jìng)賽

將現(xiàn)代控制理論知識(shí)應(yīng)用于各類科技競(jìng)賽中，有利于提高競(jìng)賽作品的理論深度和可觀賞性，增加獲獎(jiǎng)機(jī)會(huì)。實(shí)踐證明，通過組織一些基礎(chǔ)扎實(shí)、學(xué)習(xí)興趣濃厚、創(chuàng)新能力較強(qiáng)的學(xué)生參加校級(jí)、省級(jí)、國家級(jí)各類科技競(jìng)賽，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激勵(lì)學(xué)生更深入地鉆研現(xiàn)代控制理論相關(guān)知識(shí)。目前，我校成立了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，組織了一批指導(dǎo)老師，吸引了一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)的學(xué)生，設(shè)計(jì)了倒立擺、單球滾動(dòng)機(jī)器人，模型車，四旋翼無人機(jī)、多足機(jī)器人、羽毛球自動(dòng)撿球機(jī)等各種自主控制系統(tǒng)，并在多個(gè)電子設(shè)計(jì)大賽，挑戰(zhàn)杯，機(jī)器人大賽等各類科技競(jìng)賽均獲得不錯(cuò)的成績，這些對(duì)教學(xué)工作產(chǎn)生了積極的影響。

3.4 完善考核方式

目前，現(xiàn)代控制理論課程考核是由平時(shí)成績、期末成績兩部分組成。平時(shí)成績包含出勤、課堂表現(xiàn)以及課后作業(yè)；期末成績采用閉卷形式，考核相關(guān)基本概念和理論知識(shí)。這種考試形式過于側(cè)重學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的了解和掌握，容易使學(xué)生誤以為學(xué)習(xí)現(xiàn)代控制理論只需死記硬背知識(shí)原理即可，因而難以全面準(zhǔn)確地反映學(xué)生分析與解決問題的能力。改革后的課程考核結(jié)合平時(shí)成績、期末成績、實(shí)驗(yàn)成績以及開放性自主設(shè)計(jì)成績四部分組成。期末考核改閉卷考試為開卷考試，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)知識(shí)的靈活應(yīng)用能力，而不是對(duì)知識(shí)點(diǎn)的記憶。實(shí)驗(yàn)考核借助實(shí)訓(xùn)設(shè)備，來加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力培養(yǎng)。開放性自主設(shè)計(jì)可分兩類，一類為一些小作品設(shè)計(jì)或仿真，在總評(píng)成績不超過100分的情況下，可適當(dāng)加分；一類為難度較大，涉及現(xiàn)代控制理論知識(shí)面較多的作品設(shè)計(jì)，該作品完成并撰寫書面報(bào)告可代替期末考試。

3.5 極點(diǎn)配置課堂教學(xué)舉例

由劉豹，唐萬生主編的“現(xiàn)代控制理論”的第5章極點(diǎn)配置課堂教學(xué)中，[5]傳統(tǒng)教學(xué)著重在理論上證明能控性是采用狀態(tài)反饋任意極點(diǎn)配置的充要條件，能觀性是采用輸出到的線性反饋實(shí)現(xiàn)任意極點(diǎn)配置的充要條件。在狀態(tài)反饋極點(diǎn)配置控制器設(shè)計(jì)和觀測(cè)器設(shè)計(jì)過程中，雖然能夠強(qiáng)調(diào)控制系統(tǒng)的性能主要取決于系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)在根平面上的分布，但在應(yīng)用舉例中，一般強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)過程和步驟，對(duì)于極點(diǎn)的設(shè)計(jì)，往往只是隨意取一組具有負(fù)實(shí)部的極點(diǎn)，保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這種教學(xué)方式對(duì)于理論教學(xué)是可以的，但作為應(yīng)用型大學(xué)教學(xué)，需要強(qiáng)調(diào)在實(shí)際中的應(yīng)用。教學(xué)過程中可以設(shè)計(jì)案例，以MATLAB仿真課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)或課程設(shè)計(jì)，來檢驗(yàn)極點(diǎn)配置方法在實(shí)際應(yīng)用中是否真的可以被任意配置。

筆者近年來設(shè)計(jì)的四旋翼無人機(jī)控制為多輸入多輸出系統(tǒng)，具有干擾大，控制難的特點(diǎn)，非常適合被用于檢驗(yàn)極點(diǎn)配置控制器設(shè)計(jì)和觀測(cè)器設(shè)計(jì)的效果，學(xué)生從中也可以認(rèn)識(shí)到為什么在實(shí)際中不能任意配置極點(diǎn)，如建模不準(zhǔn)確，測(cè)量干擾大等原因都使得無法任意配置極點(diǎn)。課堂上也可以將實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)合MATLAB仿真來直觀地顯示極點(diǎn)配置控制器或觀測(cè)器的設(shè)計(jì)效果。圖1-2即是四旋翼無人機(jī)高度信息測(cè)量與極點(diǎn)配置觀測(cè)器設(shè)計(jì)后高度和速度估計(jì)MATLAB仿真結(jié)果。從中可以看出，觀測(cè)器設(shè)計(jì)不僅將速度估計(jì)出來，而且高度估計(jì)結(jié)果相對(duì)測(cè)量具有去除高頻干擾的效果，即具有濾波效果。課堂上，教師還可以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整配置的極點(diǎn)來觀測(cè)不同的結(jié)果，從而更直觀地讓學(xué)生體會(huì)配置的極點(diǎn)和觀測(cè)的結(jié)果的關(guān)系，也就能理解為什么不能任意配置極點(diǎn)的原因。實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中，學(xué)生反映積極，教學(xué)效果得到極大提高。

4 結(jié)語

作為應(yīng)用型大學(xué)，針對(duì)現(xiàn)代控制理論教學(xué)中課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考核方式等方面，我系控制理論課題組的老師在近幾年進(jìn)行了一系列的努力與探索。從教學(xué)效果看，這些方面的改革激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高了學(xué)生實(shí)踐和綜合應(yīng)用能力，改善了教學(xué)質(zhì)量。當(dāng)然，在探索實(shí)踐過程中，也遇到了很多新問題，這就要求我們教師還需要在教學(xué)實(shí)踐中不斷總結(jié)、改進(jìn)和完善，為持續(xù)提高教學(xué)質(zhì)量貢獻(xiàn)力量。

基金項(xiàng)目：廣東高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（2014KQNCX157），五邑大學(xué)2015年青年科研基金項(xiàng)目（2015zk12）

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