現(xiàn)代控制理論課程教學改革研究

潘俊濤　張巍巍　張白　范亞靜

摘? 要 現(xiàn)代控制理論是控制論的重要組成部分之一，現(xiàn)代控制理論課程是國內(nèi)高校自動化相關專業(yè)的一門重要專業(yè)課程。立足民族院校辦學特色，針對當前現(xiàn)代控制理論課程教學過程中存在的不足，依托學?，F(xiàn)有的便攜式倒立擺實驗平臺，提出一種基于便攜式倒立擺的現(xiàn)代控制理論課程教學改革方案。改革方案將便攜式倒立擺平臺的控制系統(tǒng)設計流程與課程核心知識點進行緊密結合，不僅更進一步突出對學生綜合運用知識能力的培養(yǎng)，而且建立了理論教學與工程實際間的橋梁，切合北方民族大學工程教育認證的發(fā)展規(guī)劃。

關鍵詞 便攜式倒立擺;現(xiàn)代控制理論;自動化專業(yè);實驗平

臺;教學改革

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）15-0091-03

1 引言

制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本，興國之器，強國之基。為適應新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，我國于2015年3月首次提出“中國制造2025”宏偉計劃，并借此推動我國制造業(yè)由大變強，面向國際市場，提升中國制造的核心競爭力。為更好適應“中國制造2025”發(fā)展規(guī)劃需求，國家對工程技術人才的培養(yǎng)也提出更高要求，特別是我國加入華盛頓協(xié)議以來，“中國工程教育專業(yè)認證”“新工科”建設等新興教學理念在我國高等教育中生根發(fā)芽。越來越多的高等院校圍繞工程教育認證主動修訂其人才培養(yǎng)方案，培養(yǎng)國際通用、實踐技術能力突出的工程技術人才。

自動控制作為“中國制造2025”的重要內(nèi)容之一，對我國制造業(yè)的發(fā)展有著深遠影響。所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（控制器），使機器、設備或生產(chǎn)過程（被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動地按照預定的規(guī)律運行[1]。目前，自動控制技術因其高效、準確等優(yōu)勢，已被廣泛用于人民的生產(chǎn)生活過程中，在新能源發(fā)電、汽車制造、自然資源開發(fā)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境治理、醫(yī)療康復等現(xiàn)代科學技術領域，隨處可見自動控制技術的身影。因此，自動化技術人才培養(yǎng)對實施“中國制造2025”發(fā)展規(guī)劃起著舉足輕重的作用。

如何在新形勢下培養(yǎng)適應“中國制造2025”發(fā)展規(guī)劃的自動化專業(yè)技術人才，是目前全國各高等院校自動化專業(yè)的重要課題。為此，全國許多高校積極響應教育部關于開展工程教育認證的工作要求，結合自身辦學特色，陸續(xù)開展多種行之有效的自動化專業(yè)技術人才培養(yǎng)改革方案，如北京科技大學、西安理工大學、北京化工大學等。雖然各高校的自動化專業(yè)人才培養(yǎng)方案各有特色，但主框架不變，特別是自動控制理論類課程（即自動控制原理、現(xiàn)代控制理論），在各個高校的人才培養(yǎng)體系中均處于核心地位。此外，自動控制類課程也是各高校研究生入學考試的必考內(nèi)容。由此可見自動控制類課程對自動化專業(yè)技術人才培養(yǎng)的重要性。

北方民族大學作為國家民族事務委員會直屬高校之一，主要宗旨是為少數(shù)民族地區(qū)培養(yǎng)少數(shù)民族高素質(zhì)專業(yè)人才，以期提升少數(shù)民族地區(qū)的經(jīng)濟水平和生活水平。根據(jù)我國現(xiàn)行的自動化專業(yè)人才培養(yǎng)規(guī)范，北方民族大學針對高年級的自動化專業(yè)學生開設了現(xiàn)代控制理論課程，以滿足學生考研及就業(yè)的需求?，F(xiàn)代控制理論是以線性代數(shù)為數(shù)學基礎的工程控制理論課，課程知識包含大量煩瑣的數(shù)學分析和定理證明，核心要點概念抽象，學習難度較其他專業(yè)課程大，特別是數(shù)學基礎薄弱的少數(shù)民族學生，普遍感覺吃力。另一方面，課程理論性極強，雖有工程背景，但鮮有工程實際內(nèi)容，教學過程中很難讓學生建立課程知識與工程實際的聯(lián)系，授課內(nèi)容枯燥抽象，學生學習效果不盡如人意。

如何在現(xiàn)代控制理論課程教學中提升學生的學習效率，改善其學習積極性，高質(zhì)量地完成大綱教學內(nèi)容，是任課教師亟待解決的主要問題之一。倒立擺實驗平臺是自動控制算法研究領域廣為采用的控制算法驗證平臺。工程實際中的許多控制問題，如雙足機器人行走、火箭垂直發(fā)射、下肢癱瘓病人康復訓練等，均可抽象為倒立擺的控制問題。因此，對其進行控制研究具有重大的實際意義。需要指出的是，倒立擺實驗平臺的控制設計流程與現(xiàn)代控制理論課程知識點有著非常緊密的聯(lián)系。

有鑒于此，本文提出一種基于倒立擺的現(xiàn)代控制理論課程教學改革方案。改革方案將課程知識點分散到倒立擺實驗平臺控制設計的流程中，從而搭建理論知識與工程實際間的橋梁。此外，為了讓學生積極參與倒立擺的控制設計，本文采用深圳某科技有限公司開發(fā)的便攜式倒立擺實驗平臺，其便攜性打破了傳統(tǒng)實驗設備地域限制，學生可以利用自己的筆記本計算機隨時隨地在該平臺對設計的控制算法進行驗證。實踐教學表明，因為實際對象的介入，學生的學習興趣有了顯著提高，課程的學習效果也較以往得到明顯增強。

2 課程改革實施方案

根據(jù)學校對工科類專業(yè)培養(yǎng)方案制訂的工作要求，北方民族大學現(xiàn)行的現(xiàn)代控制理論課程為48學時，其中理論課40學時，實驗課8學時。考慮到民族院校學生基礎普遍不足，在保證教學大綱要求的情況下，首先對授課內(nèi)容進行優(yōu)化，略去煩瑣的數(shù)學證明，強調(diào)對定理結果的理解及應用;同時加強MATLAB仿真軟件在課程中的應用，相應地增加大量的上機作業(yè)，并以此引導學生從以往的“學知識”向“用知識”轉(zhuǎn)變，強化學生綜合運用知識的能力，高度切合目前我國高等教育對工科學生的教育要求。隨后，將便攜式倒立擺控制算法設計流程分散到課程各核心知識點的講解中，將晦澀抽象的知識概念落到實處。具體對應關系如表1所示。

受限于篇幅，本文以線性系統(tǒng)的數(shù)學建模為例，講解如何基于便攜式倒立擺對課程內(nèi)容進行改革。教材第一章“動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述”主要講解一般控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式。這是設計控制系統(tǒng)的第一步，對整個系統(tǒng)的控制算法設計起著至關重要的作用。然而，教材中關于系統(tǒng)狀態(tài)空間描述的“數(shù)學”講解十分晦澀難懂。

【定義1】動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)是完全地描述系統(tǒng)動態(tài)系統(tǒng)運動狀況的信息，系統(tǒng)在某一時刻的運動狀況可以用該時刻系統(tǒng)運動的一組信息表征，定義系統(tǒng)運動信息的集合為狀態(tài)。

定義1是對動態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的講解，具有較強的數(shù)學性。其定義中“完全描述”“系統(tǒng)運動狀況”等詞匯，由于過于抽象，無法和實際對象進行聯(lián)系，導致學生很難理解。為幫助學生理解，教學中會采用一些工程實例來講解。但學生因為沒有接觸過這些實例，導致在理解的時候多有出入，學習效果并不理想。

為此，本文在該環(huán)節(jié)的講授過程中引入便攜式倒立擺，如圖1所示。由于該實驗設備的便攜性，可將該設備帶入課堂，現(xiàn)場演示控制系統(tǒng)的運行，讓學生近距離熟悉認知該設備，并對系統(tǒng)的運動狀態(tài)進行宏觀分析，從而引出可表征系統(tǒng)運動狀況的物理量（位置、速度、角度、角速度）。通過授課教師課堂提問引導，讓學生主動思考系統(tǒng)狀態(tài)中“完全描述”的現(xiàn)實含義，加深學生對晦澀知識概念的理念，也為后期實現(xiàn)倒立擺控制系統(tǒng)設計提供保障。

3 結語

為進一步切合學校對工程教育認證的發(fā)展規(guī)劃，本文針對現(xiàn)有現(xiàn)代控制理論課程教學環(huán)節(jié)中存在的不足，提出一種基于便攜式倒立擺的課程教學改革方案。改革方案在滿足教學大綱規(guī)定要求的前提下，強化了學生對課程知識綜合運用能力的培養(yǎng)，通過便攜式倒立擺建立課本知識與工程實際間的聯(lián)系，積極引導學生從被動學習向主動學習轉(zhuǎn)變，教學質(zhì)量得到有效提升。

參考文獻

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