現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)方法探索

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.22.057

摘 要 根據(jù)現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)目標(biāo)，增加MATLAB應(yīng)用相關(guān)知識(shí)，精簡(jiǎn)課程教學(xué)內(nèi)容，挖掘課程中的思政元素，秉持國(guó)際工程認(rèn)證以學(xué)生為中心的理念，以產(chǎn)業(yè)需求為成果導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)全方位、全過(guò)程育人，為相關(guān)課程開(kāi)展教學(xué)提供借鑒。

關(guān)鍵詞 現(xiàn)代控制理論；MATLAB；課程思政；教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G643.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）22-00-04

0 引言

“培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰(shuí)培養(yǎng)人”是教育的根本問(wèn)題，育人先育德，注重傳道授業(yè)解惑、育人育才的有機(jī)統(tǒng)一。2014年，上海市委、市政府印發(fā)《上海市教育綜合改革方案（2014—2020年）》，經(jīng)過(guò)探索，上海逐步形成課程思政理念[1]，其目的是實(shí)現(xiàn)各類課程與思想政治理論課同向同行，實(shí)現(xiàn)協(xié)同育人，為中國(guó)特色社會(huì)主義事業(yè)源源不斷培養(yǎng)合格建設(shè)者和可靠接班人[2]。

為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興中國(guó)夢(mèng)凝聚人才、培育人才、輸送人才，是高校教師的重要任務(wù)?，F(xiàn)代控制理論課程是北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院研究生的學(xué)位課，主要特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、概念抽象、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求高、公式多、計(jì)算繁雜，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中往往會(huì)感到枯燥無(wú)味、晦澀難懂，即使是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)好的學(xué)生常常也只能看懂理論和方法，卻不知道如何使用[3]。本課程授課學(xué)時(shí)32學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)0學(xué)時(shí)，如何在課時(shí)有限的理論課程教學(xué)過(guò)程中將思想政治教育、價(jià)值理念和精神追求有機(jī)融入課程，使得理論知識(shí)與工程實(shí)踐不脫節(jié)，真正做到學(xué)有所用？針對(duì)該問(wèn)題，為達(dá)到增強(qiáng)教學(xué)效果的目的，課程團(tuán)隊(duì)一方面根據(jù)豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和科研項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，依托科研項(xiàng)目開(kāi)展理論教學(xué)，以項(xiàng)目研究為案例加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解；另一方面挖掘課程中的思政元素，將思政內(nèi)容無(wú)縫融入，開(kāi)展課程思政，落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)。

1 課程教學(xué)目標(biāo)

現(xiàn)代控制理論課程的教學(xué)目標(biāo)是以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，對(duì)復(fù)雜機(jī)械工程系統(tǒng)的多輸入、多輸出狀態(tài)進(jìn)行分析和綜合，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)控制理論基礎(chǔ)知識(shí)的理解與掌握。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，研究生能夠初步掌握現(xiàn)代控制理論的基本知識(shí)及其分析方法，能夠運(yùn)用狀態(tài)空間分析法正確建立各類典型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，掌握分析各類系統(tǒng)模型的方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析[4]，即控制系統(tǒng)的能控性、能觀性和穩(wěn)定性分析，能夠通過(guò)狀態(tài)反饋、極點(diǎn)配置和狀態(tài)觀測(cè)器構(gòu)造等方法進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的綜合與設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生從事系統(tǒng)分析和研究的能力。

2 課程教學(xué)內(nèi)容[5]

現(xiàn)代控制理論課程的教學(xué)內(nèi)容是控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。系統(tǒng)分析是通過(guò)系統(tǒng)輸出響應(yīng)定量或定性地分析控制系統(tǒng)的性能。首先，建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型——狀態(tài)空間表達(dá)式；其次，求狀態(tài)空間表達(dá)式的解，根據(jù)其解（系統(tǒng)對(duì)輸入的響應(yīng)）對(duì)系統(tǒng)的能控性、能觀性和穩(wěn)定性進(jìn)行分析；最后，根據(jù)系統(tǒng)性能分析的結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)復(fù)雜機(jī)械工程問(wèn)題進(jìn)行建模、計(jì)算分析與設(shè)計(jì)的基本能力。

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，控制理論研究熱點(diǎn)不斷涌現(xiàn)。在現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)中，在保證教材中重點(diǎn)內(nèi)容、基本原理和方法的教學(xué)之外，增加新的內(nèi)容，如MATLAB在機(jī)械工程問(wèn)題中的應(yīng)用。考慮學(xué)時(shí)有限的實(shí)際情況，對(duì)課堂內(nèi)容進(jìn)行精簡(jiǎn)，除了系統(tǒng)穩(wěn)定性的部分涉及非線性系統(tǒng)穩(wěn)定判斷外，主要學(xué)習(xí)線性定常系統(tǒng)的相關(guān)理論知識(shí)，如表1所示。對(duì)于離散系統(tǒng)、時(shí)變系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)，學(xué)生可以根據(jù)自己研究課題的情況進(jìn)行學(xué)習(xí)。

3 教學(xué)方法和方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)代控制理論是在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的?，F(xiàn)代控制理論課程的教學(xué)由學(xué)生本科階段學(xué)習(xí)的經(jīng)典控制理論引入，以單輸入—單輸出的恒溫箱控制為例，引出多輸入—多輸出的多溫區(qū)控制的工程實(shí)際案例，提出問(wèn)題，使學(xué)生帶著解決問(wèn)題、尋找解決問(wèn)題方法的思路貫穿整個(gè)課程教學(xué)過(guò)程，將抽象的概念、理論知識(shí)點(diǎn)與工程實(shí)際相結(jié)合，最后學(xué)生能夠利用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題，形成一個(gè)學(xué)習(xí)的閉環(huán)，如圖1所示。

在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，開(kāi)始由教師提出問(wèn)題，接下來(lái)的過(guò)程均以學(xué)生為主、教師為輔，注重知識(shí)和工程實(shí)際的結(jié)合，踐行國(guó)際工程認(rèn)證以學(xué)生為中心的理念，提高學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中的參與度與自主性，由淺入深、環(huán)環(huán)相扣。

由恒溫箱的溫度控制引入多溫區(qū)溫度控制系統(tǒng)，多溫區(qū)實(shí)驗(yàn)臺(tái)是課程團(tuán)隊(duì)研究的課題之一。實(shí)驗(yàn)臺(tái)內(nèi)設(shè)置三個(gè)加熱棒，控制整個(gè)加熱面板九個(gè)區(qū)域的溫度。加熱棒分別位于溫區(qū)1-1、2-1和3-1下方的鋁型材內(nèi)，傳感器分別位于溫區(qū)下方鋁型材的右側(cè)，多溫區(qū)實(shí)驗(yàn)臺(tái)溫區(qū)劃分如圖2所示。距離加熱棒越遠(yuǎn)，時(shí)滯性越明顯。根據(jù)距離加熱棒的遠(yuǎn)近將溫區(qū)劃分為無(wú)時(shí)滯系統(tǒng)1-1～3-1、小時(shí)滯系統(tǒng)1-2～3-2和大時(shí)滯系統(tǒng)1-3～3-3，顯然，該多溫區(qū)實(shí)驗(yàn)臺(tái)是典型的多輸入、多輸出（MIMO）系統(tǒng)。由于溫度傳遞的特點(diǎn)，各溫區(qū)之間的溫度會(huì)相互影響，造成溫度的波動(dòng)，稱為耦合作用。耦合作用往往對(duì)控制目標(biāo)造成影響，從而加大控制難度，通常采用解耦的方法減弱或消除這些影響[6]。

提出解耦的概念，通過(guò)解耦使得輸入、輸出相關(guān)聯(lián)的多變量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)每個(gè)輸出僅受相應(yīng)的一個(gè)輸入控制，可以降低控制難度。如何解耦？實(shí)現(xiàn)解耦前需要知道多溫區(qū)固體機(jī)臺(tái)的數(shù)學(xué)模型，引出課程內(nèi)容，如圖3所示。建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型——狀態(tài)空間表達(dá)式；引出系統(tǒng)性能分析需要狀態(tài)空間表達(dá)式的解，即狀態(tài)變）；進(jìn)行系統(tǒng)分析，包括線性控制系統(tǒng)的能控性、能觀性和穩(wěn)定性；對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合性能分析和設(shè)計(jì)。

通過(guò)工程實(shí)際問(wèn)題一步步引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，然后將課堂所學(xué)知識(shí)再應(yīng)用于工程實(shí)際，形成一個(gè)完整的課程體系，達(dá)到前后呼應(yīng)，最終解決復(fù)雜工程系統(tǒng)的實(shí)際問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生加強(qiáng)理論知識(shí)和工程實(shí)際問(wèn)題的聯(lián)系，從工程角度思考控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)問(wèn)題，全面了解現(xiàn)代控制理論在工程實(shí)踐中的運(yùn)用方法，提高理論知識(shí)與工程實(shí)踐相結(jié)合的能力[7]。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代控制理論課程抽象性、理論性強(qiáng)，學(xué)習(xí)起來(lái)枯燥乏味。為了達(dá)到“教科技知識(shí)，育民族精神”[8]的目標(biāo)，在現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)中以學(xué)生為中心，以產(chǎn)業(yè)需求為成果導(dǎo)向，將科研成果應(yīng)用于課堂教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和自主性，使學(xué)生能夠帶著尋找解決問(wèn)題方法的渴望進(jìn)入理論知識(shí)的自主學(xué)習(xí)。經(jīng)過(guò)兩年的教學(xué)實(shí)踐（引入工程案例教學(xué)），有效地激發(fā)了學(xué)生的求知欲，取得良好的教學(xué)效

果；同時(shí)，在做強(qiáng)科研輔助教學(xué)、將科研與教學(xué)融為一體方面也收到很好的效果，實(shí)現(xiàn)了傳道授業(yè)解惑與育人育才的有機(jī)統(tǒng)一。

5 參考文獻(xiàn)

[1] 郭為祿.以綜合改革的思路創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式：教育綜

合改革國(guó)家試點(diǎn)框架下的上海實(shí)踐[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，

2018（7）：4-10.

[2] 中共中央黨史和文獻(xiàn)研究院.十九大以來(lái)重要文獻(xiàn)選編

（上）[M].北京：中央文獻(xiàn)出版社，2019.

[3] 李俊紅，顧菊平，馬衛(wèi)國(guó)，等.現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)

改革研究[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2015（20）：114-115.

[4] 陳秀梅，黃民，彭寶營(yíng)，等.機(jī)械控制工程課程思政元

素的挖掘[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2023（10）：77-80.

[5] 劉豹，唐萬(wàn)生.現(xiàn)代控制理論[M].3版.北京：機(jī)械工

業(yè)出版社，2023.

[6] 韋曉慧.多溫區(qū)測(cè)控系統(tǒng)的解耦分析[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2007.

[7] 陳斌，周怡琳，林雪燕，等.面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的

現(xiàn)代控制理論高新課教學(xué)改革研究[J].高教學(xué)刊，2021，

7（25）：128-131.

[8] 黎書文.課程思政在“機(jī)械設(shè)計(jì)”課程中的實(shí)踐與探索

研究[J].工業(yè)和信息化教育，2021（3）：14-18.

*項(xiàng)目來(lái)源：河北省科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目“自主可控高端工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)集成應(yīng)用”（項(xiàng)目編號(hào)：19041827Z）；2022年北京信息科技大學(xué)研究生課程建設(shè)項(xiàng)目“《現(xiàn)代控制理論》課程建設(shè)”（5027011074）。

作者簡(jiǎn)介：陳秀梅，博士，副教授；彭寶營(yíng)，北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副院長(zhǎng)，教授；許博、劉忠和，講師；黃民，北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院院長(zhǎng)，教授。