《現(xiàn)代控制理論》課程的CDIO模式教學改革

李華雄

摘要：《現(xiàn)代控制理論》是大學本科自動化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。針對《現(xiàn)代控制理論》課程的教學內(nèi)容與工程應用背景，結(jié)合CDIO工程教育理念和教學實踐，提出了基于CDIO教育理念的《現(xiàn)代控制理論》課程教學改革方案，以提高工科自動化專業(yè)本科生的實踐創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)卓越工程師提供了思路和借鑒。

關(guān)鍵詞：《現(xiàn)代控制理論》；CDIO；工程教育；教學改革

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）25-0117-02

一、引言

《現(xiàn)代控制理論》（Modern Control Theory）是工科自動化本科的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，在國內(nèi)高校自動化及相關(guān)專業(yè)中已普遍開設(shè)?！冬F(xiàn)代控制理論》是本科課程《自動控制原理》的深化，又是研究生課程《自適應控制》、《線性系統(tǒng)理論》、《最優(yōu)控制理論》、《魯棒控制》等專業(yè)課程的基礎(chǔ)[1]。因此，該課程在工科自動化專業(yè)課程中具有承前啟后的地位，在工程教育的教學改革中如何來提高該課程的教學質(zhì)量顯得尤為重要[2]。在工程教育研究中，CDIO教育理念模式近年來受到世界高等教育界的廣泛關(guān)注[3]。CDIO（Conceive，Design，Implement，Operate）是本世紀初由麻省理工學院、瑞典皇家工學院等大學創(chuàng)立的面向未來卓越工程師的大學教學方法。CDIO教學方法的思想包括Conceive（構(gòu)思）、Design（設(shè)計）、Implement（實現(xiàn)）和Operate（運作）四大要素，其強調(diào)工程教育應使得學生對工程應用具有充分把握，發(fā)展面向工程應用實際的綜合能力[4-6]?！冬F(xiàn)代控制理論》作為一門典型的工科專業(yè)課程，是培養(yǎng)自動化領(lǐng)域未來卓越工程師必備的基礎(chǔ)核心課程，具有CDIO涉及的工科課程特點，尤其適合開展CDIO模式的構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)和運作理念課程建設(shè)。

二、工程背景下的現(xiàn)代控制理論教改

鑒于《現(xiàn)代控制理論》的工科特色背景，在教改實踐中，可以現(xiàn)代控制理論工程應用案例為導向，在課堂中引入控制系統(tǒng)構(gòu)思（Conceive-Control systems）、控制系統(tǒng)設(shè)計（Design-Control systems）、控制系統(tǒng)實現(xiàn)（Implement-Control systems）和控制系統(tǒng)運作（Operate-Control systems）等內(nèi)容，將CDIO模式教學思想和方法滲透到課程的各章節(jié)內(nèi)容，形成由學生“做中學”的知識獲取模式。

1.結(jié)合工程實踐背景，引入CDIO模式教學方法。根據(jù)CDIO模式注重設(shè)計、實現(xiàn)及運作的內(nèi)容要求，教師可考慮在保證現(xiàn)代控制理論內(nèi)容的嚴謹性和完整性的前提下，不求過多定理的理論推導證明，而是突出問題的工程背景和應用案例，強調(diào)貫串于各章論述中的控制系統(tǒng)應用案例的實現(xiàn)（例如倒立擺系統(tǒng)、自平衡機器人系統(tǒng)等案例）。教學中的理論闡述應力求嚴謹、易懂和簡練。重點可考慮結(jié)合Matlab控制系統(tǒng)工具箱、Simulink、Automation Studio等自動化仿真平臺及相關(guān)硬件系統(tǒng)，加強對學生的工程應用的培養(yǎng)，并要求學生獨立完成有關(guān)工程案例的Conceive（構(gòu)思）、Design（設(shè)計）、Implement（實現(xiàn)）和Operate（運作）的過程（CDIO），以達到鞏固所學理論知識的目的。工程背景下的現(xiàn)代控制理論教改可考慮側(cè)重現(xiàn)代控制理論的工程應用背景介紹，結(jié)合Matlab、Automation Studio仿真平臺展示，讓學生了解到該課程是分析與設(shè)計高質(zhì)量和大型復雜控制系統(tǒng)的工程的理論基礎(chǔ)，同時應了解計算機、人工智能等應用技術(shù)對現(xiàn)代控制理論發(fā)展的貢獻。教師在授課時引入的主題內(nèi)容包括系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述的建立與分析；能控性與能觀性分析；系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與判斷；狀態(tài)反饋與輸出反饋綜合問題；最優(yōu)控制問題；等等。按照由淺入深的原則首先介紹建立狀態(tài)空間描述的兩種方法，包括“機理建模法”和“傳函實現(xiàn)法”。在建立狀態(tài)空間描述后，教師展開基于狀態(tài)空間模型的系統(tǒng)分析方法，包括狀態(tài)空間模型求解、能控能觀、穩(wěn)定性分析等。在系統(tǒng)綜合問題中，需突出理論與實際聯(lián)系，并依據(jù)工程控制性能指標的不同，介紹常規(guī)系統(tǒng)綜合應用與最優(yōu)性能指標綜合應用。在CDIO模式教改中，這種教學實踐可以既使得學生掌握的知識具有系統(tǒng)性和連貫性，同時又面向工程實踐應用。

2.優(yōu)化CDIO實踐教學內(nèi)容，提升實驗平臺層次。在CDIO模式的教改實踐中，教師可以在講授《現(xiàn)代控制理論》的理論基礎(chǔ)上，重點加強控制系統(tǒng)案例介紹，可基于Matlab和Automation Studio等自動化軟件及相關(guān)硬件，以自平衡小車系統(tǒng)作為典型示例，加強CDIO模式下的實驗平臺的教學與建設(shè)，提升實驗平臺層次。倒立擺作為一種控制理論與工程的教學實驗設(shè)備，是一個典型的不穩(wěn)定控制系統(tǒng)，實現(xiàn)其穩(wěn)定控制可采用多種控制理論方法，具有較強的趣味性，適合學生使用它來驗證所學的控制理論。因此，倒立擺設(shè)備是進行現(xiàn)代控制理論CDIO模式教改較為理想的實驗平臺。根據(jù)倒立擺控制系統(tǒng)的實踐教學要求，針對CDIO模式的運作能力培養(yǎng)目標，我們考慮采取針對學生特點的個性化實踐教學培養(yǎng)模式。根據(jù)學生對課程知識掌握的深淺，在尊重學生個性、重視學生主體選擇和個性差異的基礎(chǔ)上對學生進行分類。依據(jù)學生對倒立擺控制系統(tǒng)的設(shè)計水平，把學生分成創(chuàng)新型培養(yǎng)目標群體、強化型培養(yǎng)目標群體和提升型培養(yǎng)目標群體。針對不同群體的學生提出倒立擺穩(wěn)定控制的相應評價指標，設(shè)計梯度化的實驗考核機制，實現(xiàn)不同層次學生的工程實踐能力CDIO培養(yǎng)目標。

三、CDIO模式下的現(xiàn)代控制理論教改方案

考慮到學生特點和教學目標，教師可以CDIO模式培養(yǎng)大綱為引導，按照自動化專業(yè)本科生《現(xiàn)代控制理論》的培養(yǎng)要求，借鑒信息化和項目教學設(shè)計方法，實現(xiàn)“教、學、做”一體化的CDIO教學設(shè)計。CDIO模式下的《現(xiàn)代控制理論》教改方案具體如下。

1.在教改引入階段。（1）借助Matlab、Automation Studio等自動化教學實踐平臺，展示倒立擺穩(wěn)定控制效果，提高學生對學習《現(xiàn)代控制理論》課程的興趣。（2）介紹課程的主要知識點，并以Matlab、Automation Studio實驗仿真平臺上實現(xiàn)倒立擺穩(wěn)定控制為實踐目標，讓學生體會《現(xiàn)代控制理論》課程主要知識點的具體任務和知識點的相互關(guān)系。（3）依據(jù)學生的學習能力差異，按照優(yōu)勢互補、分工協(xié)作的原則組成研究學習小組，并安排倒立擺穩(wěn)定控制仿真實驗報告及評價方式等。

2.在教改深入階段。教師詳細講授《現(xiàn)代控制理論》的主要知識點，要求學生基于Matlab、Automation Studio仿真實驗平臺進行倒立擺穩(wěn)定控制的設(shè)計，確定任務實施步驟，做好動手設(shè)計準備。進一步來講，學生在Matlab、Automation Studio實驗平臺上分組設(shè)計調(diào)試，教師給予指導，使學生完成設(shè)計任務。

3.在教改評價階段。學生在Simulink、Automation Studio實驗平臺演示倒立擺控制效果，總結(jié)學習內(nèi)容，并形成課程報告，完成倒立擺穩(wěn)定控制的Conceive（構(gòu)思）、Design（設(shè)計）、Implement（實現(xiàn)）和Operate（運作）的全過程。

參考文獻：

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Education Reform of "Modern Control Theory" Based on CDIO

LI Hua-xiong

（School of Management and Engineering，Nanjing University，Nanjing，Jiangsu 210093，China）

Abstract："Modern Control Theory" is a professional core course for undergraduate students of automation major. A CDIO-based educational reform program is proposed，which considers both teaching content and application of "Modern Control Theory".The CDIO-based education reform of "Modern Control Theory" is proposed to improve the innovation ability of the undergraduate students in automation major，which provides successful educational experiences to train excellence engineer for related majors.

Key words："Modern Control Theory"；CDIO；engineering education；education reform