《現(xiàn)代控制理論》課程教學(xué)改革的探索與實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)從知識(shí)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(shí)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(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）03-0123-02

《現(xiàn)代控制理論》課程是自動(dòng)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(duì)象，既綜合運(yùn)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(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)、自動(dòng)控制原理等課程知識(shí)，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(shí)際相結(jié)合，拓寬和引進(jìn)了許多新概念、新知識(shí)，為本專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)課程進(jìn)一步增強(qiáng)了理論基礎(chǔ)與工程意識(shí)，提高了綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)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(yùn)動(dòng)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(shí)，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(qiáng)能力培養(yǎng)，我們?cè)诮虒W(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(dòng)化專業(yè)學(xué)生一直使用機(jī)械工業(yè)出版社的“十一五”國(guó)家級(jí)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(guó)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(shí)理論教學(xué)，6學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)；改革后該課程5學(xué)分，140學(xué)時(shí)學(xué)習(xí)總量，包括：40學(xué)時(shí)理論教學(xué)、8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)、8學(xué)時(shí)仿真、1周實(shí)訓(xùn)、60學(xué)時(shí)自主學(xué)習(xí)。從學(xué)時(shí)分配和內(nèi)容變化上就可以看出對(duì)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(shí)驗(yàn)室一階倒立擺、三容水箱實(shí)驗(yàn)裝置引入課堂教學(xué)，建立了這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)性分解；針對(duì)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(duì)系統(tǒng)極點(diǎn)進(jìn)行配置；設(shè)計(jì)內(nèi)膜控制器，實(shí)現(xiàn)漸近跟蹤與干擾抑制；對(duì)三容水箱設(shè)計(jì)解耦控制器，實(shí)現(xiàn)多輸入多輸出系統(tǒng)的解耦控制。在整個(gè)理論教學(xué)過程中，明確理論的工程價(jià)值與應(yīng)用背景，強(qiáng)調(diào)理論的應(yīng)用與應(yīng)用的理論。

2.實(shí)踐教學(xué)。在課程教學(xué)改革中，強(qiáng)化了實(shí)踐教學(xué)，8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)分為1個(gè)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和2個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；8學(xué)時(shí)仿真分為4個(gè)上機(jī)實(shí)驗(yàn)，在Matlab環(huán)境下對(duì)書中所有例題進(jìn)行編程驗(yàn)證；1周實(shí)訓(xùn)要求同學(xué)們能將三容水箱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)，并能排除老師設(shè)置的運(yùn)行故障；在自主學(xué)習(xí)中也安排了3個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)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(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)、編寫實(shí)驗(yàn)報(bào)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(gè)項(xiàng)目。項(xiàng)目一：一階倒立擺系統(tǒng)的建模。針對(duì)實(shí)驗(yàn)室一階倒立擺實(shí)驗(yàn)裝置，考察學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)的觀察能力、認(rèn)知能力、機(jī)理分析與數(shù)學(xué)建模能力，提交項(xiàng)目報(bào)告。項(xiàng)目二：一階倒立擺系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。根據(jù)項(xiàng)目一的結(jié)果，在Matlab/Simulink環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的性能分析與控制實(shí)現(xiàn)以及變量的圖形表示，重點(diǎn)考察學(xué)生對(duì)控制理論的理解，培養(yǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和編程能力。項(xiàng)目三：三容水箱的建模、控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。就是把項(xiàng)目一和項(xiàng)目二的內(nèi)容重做一遍。項(xiàng)目一和項(xiàng)目二的考核成績(jī)各占課程成績(jī)的15%。

二、工程能力體系的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

能力包括一般能力和特殊能力。一般能力指在一項(xiàng)活動(dòng)中表現(xiàn)出來(lái)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(shí)踐活動(dòng)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(shí)踐活動(dòng)中表現(xiàn)出的實(shí)際本領(lǐng)和能量。自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生的工程能力內(nèi)涵包括五個(gè)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(dòng)化設(shè)備與設(shè)備操作；②自動(dòng)控制工程設(shè)計(jì)能力，包括設(shè)計(jì)指標(biāo)、設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方法與工程計(jì)算方法；③控制工程實(shí)施能力，包括項(xiàng)目管理、電路連接、機(jī)電設(shè)備連接、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與測(cè)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(yǔ)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(jì)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(huì)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。《現(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(dòng)控制工程設(shè)計(jì)能力、工程實(shí)踐與項(xiàng)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(duì)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(yùn)動(dòng)規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生觀察問題、機(jī)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(shí)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(diǎn)配置、鎮(zhèn)定、狀態(tài)觀測(cè)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(jì)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(shí)驗(yàn)、仿真和實(shí)訓(xùn)培養(yǎng)學(xué)生的編程能力，系統(tǒng)維護(hù)維修與運(yùn)行管理能力，工程實(shí)踐與項(xiàng)目管理能力，自主學(xué)習(xí)能力，表達(dá)交流與團(tuán)隊(duì)精神。如在項(xiàng)目學(xué)習(xí)中，每班分成15組，每組3人，分工明確，在實(shí)踐不同項(xiàng)目時(shí)要重新組隊(duì)，不允許幾個(gè)人在一起做不同的項(xiàng)目。現(xiàn)在的項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)都來(lái)自于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，將來(lái)要加強(qiáng)與企業(yè)的合作，項(xiàng)目?jī)?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(diǎn)引入項(xiàng)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(shí)驗(yàn)實(shí)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(shí)驗(yàn)成績(jī)的辦法，這種方法不能很好地體現(xiàn)對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的要求。改革以后課程成績(jī)由下面5個(gè)部分組成。

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

2.項(xiàng)目二：一階倒立擺系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，提交項(xiàng)目報(bào)告，占15%；由學(xué)生自主學(xué)習(xí)完成。

3.項(xiàng)目三：三容水箱的控制、故障檢測(cè)與系統(tǒng)維護(hù)、維修與運(yùn)行（1周實(shí)訓(xùn)），提交項(xiàng)目報(bào)告，分組答辯，占15%。

以上三個(gè)項(xiàng)目，全部通過，且實(shí)驗(yàn)、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(diǎn)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(diǎn)檢查學(xué)生對(duì)本課程基礎(chǔ)知識(shí)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(shí)驗(yàn)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(dòng)手實(shí)踐能力，學(xué)生課程成績(jī)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(jìng)賽活動(dòng)中成績(jī)不斷提高，如2014年7月在第九屆“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽安徽賽區(qū)比賽中，獲一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、二等獎(jiǎng)5項(xiàng)，并有1支隊(duì)伍入圍全國(guó)總決賽；2014年7月有一個(gè)隊(duì)代表學(xué)院首次參加全國(guó)大學(xué)生“西門子杯”工業(yè)自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽，取得華東三分賽區(qū)二等獎(jiǎng)、安徽賽區(qū)三等獎(jiǎng)的好成績(jī)，并將參加全國(guó)賽。

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

參考文獻(xiàn)：

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