現代控制理論課程教學改革初探

張素君 王 超 寧 欣

河南科技學院機電學院 河南新鄉 453003

現代控制理論課程教學改革初探

張素君 王 超 寧 欣

河南科技學院機電學院 河南新鄉 453003

現代控制理論是自動化專業較難的一門課程，同時又是一門重要的專業必修課。因此針對在現代控制理論課程教學中遇到的公式多、內容抽象、難理解、學生學習積極性不高等問題，提出現代控制理論的教學改革方案。改革方案主要從理論教學、實驗教學以及考核方式三方面進行改革，以達到更好的教學效果，為學生就業或繼續深造奠定扎實的理論基礎。

現代控制理論；改革方案；教學效果

現代控制理論是高校自動化專業和電氣工程及其自動化專業的專業課程[1,2]，是大學本科的必修課。它是自動控制原理、計算機控制課程的后續課程，同時是研究生階段的線性系統理論、最優控制等課程的基礎，在專業教學中起紐帶作用。課程注重學生對知識的全面把握和思維能力的培養。今天的課程改革不僅是為了適應社會對本科生目前的要求，也要適應未來社會的需要，必須從注重知識傳授向注重能力培養方向轉變，同時注重提高學生的素質。隨著社會的發展，工程領域對學生的要求也發生了變化，對本科生的要求不再是培養較強的思維能力，而是初步具有分析和解決工程實際問題的能力。教學中存在以下幾個方面的問題：一是數學基礎不牢固，影響對該課程的理解；二是所選教材重理論輕實踐，內容抽象；三是學生被動接受知識，不能理論聯系實際，學習積極性不高，參與意識不強；四是學生畢業走向不同，同一方式教學，針對性不強。基于以上問題，本文參照其他院校的改革方案[3-5]結合本校教學中存在的問題，從下面幾方面進行改革嘗試。

1 理論教學改革

理論教學改革從教學內容和教學方法兩方面展開討論。

1.1 教學內容的改革

現代控制理論課程在本科階段一般設置32～48學時不等[6]，并且理論學時和實驗學時的設置也不一致。本校理論教學學時為32學時，沒有開設實驗課。教學內容主要包括：線性控制系統狀態空間表達式的建立，即系統模型建立，狀態空間表達式的求解，狀態能控性、能觀性及穩定性的分析，系統極點配置與狀態觀測器設計。內容較多但是課時較少，需要優化教學內容。

1.1.1 在緒論中補充下面內容

緒論主要介紹控制理論的來源，發展歷程，主要應用領域以及發展現狀。為了方便現代控制理論課程的學習還需要補充以下三方面內容。

(1)補充必要的數學知識

要想建立學生的學習興趣，首先要保證學生聽得懂、學得會。現代控制理論課程中的控制理論是基于大量數學公式的推導而提出的，只有理解了推導過程，才能徹底理解理論的本質和內涵，因此需要學生本身具有較強的數學功底，尤其是扎實的線性代數和微分方程知識。而有些對于學習現代控制理論很重要的知識點，在前期課程中沒有進行深入的學習，例如高階微分方程的求解；甚至有的知識點不曾學習過，例如約當標準型，矩陣指數函數等。因此，適當補充必要的數學知識是學生學習本課程效果的重要保障。

(2)現代控制理論與經典控制理論對比

經典控制理論是現代控制理論的先修課程，為了學習現代控制理論，復習經典控制理論的模型與分析方法是非常必要的，表1給出經典控制理論與現代控制理論的對比情況。

表1 經典控制理論與現代控制理論對比

(3)現代控制理論的課程體系

為了方便學生了解本課程的主要內容和知識脈絡，介紹課程體系如圖1所示。

圖1 現代控制理論課程體系

1.1.2 精簡教學內容 突出本質性概念

現代控制理論內容豐富但公式推導很多，在教學過程中，應該遵循突出物理意義的原則。基本理論的教學在保證內容嚴謹性和系統性前提下，對定理數學證明的嚴謹性不刻意要求，略去一些復雜的證明過程，突出問題的背景、著重強調結論的內涵、直觀物理意義以及需要滿足的條件。現代控制理論課程中，模型的變換貫穿始終，因此，在授課過程中一定要說明模式變換的原因和條件。

1.1.3 介紹控制領域新知識和新研究方向 跟蹤新技術

控制理論目前活躍的科研分支很多，在現代控制理論課教學過程中適當引入控制領域的發展動態，是非常必要的，而控制領域重要會議和重要期刊往往承載著先進理論和科研發展方向。通過介紹科研發展方向不僅可以開闊學生視野還可以激發學習控制理論的興趣。國際認可的三大會議：美國控制會議(American Control Conference，簡稱ACC)，較全面地反映自動控制各領域理論與應用的最新研究成果；IEEE控制與決策會議(IEEE Conference on Decision and Control，簡稱CDC)，側重于理論研究；國際自動控制聯合會(International federation of Automatic Control，簡稱IFAC)，介紹控制理論與應用發展新成果和新趨勢，內容廣泛。國內重要的會議有中國控制會議(Chinese control Conference，簡稱CCC)，中國過程控制會議(Chinese process control conference，簡稱CPCC)和中國控制與決策會議(Chinese Control and Decision Conference，簡稱CCDC)。控制領域的重要期刊主要有《自動化學報》《控制理論與應用》《控制與決策》。

1.2 教學方法的改革

1.2.1 傳統教學和現代教學相結合

現代控制理論課程存在內容較多而課時較少的特點，如果僅僅采用傳統的板書教學方式，難以擴大教學容量，完成教學任務。傳統教學方式不方便表達課程中的圖片，控制系統動態仿真過程等形象的教學材料。隨著計算機的發展，現代化的多媒體教學已經普及，它可以使教學容量擴大，并能夠插入大量形象的圖片資料以及演示控制系統的動態仿真過程。多媒體教學彌補了傳統教學的不足，傳統板書教學保留著它獨特的優點，它更容易靈活地分析，讓學生看清楚分析的步驟。對于現代控制理論課程，采用多媒體和板書相結合，利用兩種教學方法的優點，來補充兩者的不足，容易達到較好的教學效果。

1.2.2 把MATLAB仿真引入課堂教學

現代控制理論課程由于討論的對象是多變量系統，公式推導較多，計算復雜。理論教學勢必會把大量的時間用在公式的推導上，如果再花費大量的時間進行例題復雜計算的講解，容易使學生陷入本課程是另外一門數學課的誤區，而忽略工程應用的背景。若在理論教學中，注重分析控制理論，工程應用，例題的計算通過MATLAB軟件完成，MATLAB仿真軟件功能強大，不僅可以用幾條簡單的命令(調用函數)完成復雜的運算，也可以對控制系統進行動態仿真，可以增加課堂的趣味性，提高學生的學習積極性，激發學生的探索欲望。

1.2.3 分層次教學

目前所招大學生層次差別大，而教學計劃、教學大綱是針對大部分學生，或者根據學生的平均層次制定的。同一個班的學生由于個人素質、學習興趣、學習能力的不同，統一授課會使差別越來越大，出現兩極分化現象，由于教學資源有限，很難在課堂上照顧所有學生。加強課外輔導對貫徹“因材施教，因人施教”原則，提高教學質量起到很重要的作用。教師根據學生的情況，把學生分成小組，根據每組的情況，采用不同的方法輔導，這種分層次教學方法可以照顧到所有同學，同一小組的一起學習可以提高學習積極性，不同小組展開競賽也可以激發學生的上進心。

1.2.4 講解與練習相結合

現代控制理論課程理論較為抽象，邏輯嚴謹，難理解，僅靠教師課堂的講解很難掌握，因此要求學生除了認真聽講外，還需要做一定量的練習題加以鞏固。雖然教師可以在課堂上講解一些典型例題，但受到課堂時間的限制，大量的練習要放在課外。通過課外練習不僅可以鞏固課堂學習的知識，還可以思考并加以運用，習題的輔導比較分散，對于多數同學存在的問題集中輔導。另外，教師與學生也可以建立網上交流，實時解決同學在練習中遇到的問題，并不受時間和空間的限制。

2 實驗教學改革

2.1 MATLAB軟件在現代控制理論實驗課中的應用

MATLAB在現代控制理論教學中起非常重要的作用，如果僅靠課堂上教師少量的演示，學生很難掌握MATLAB軟件在該課程中的應用。因此，需要開設一定量的實驗課程，在實驗課中對MATLAB中Simulink進一步講解，演示對動態系統仿真過程，并調出系統響應的動態曲線供學生分析，如果不能滿足控制要求，可以通過手動調整控制參數，達到控制系統的動態優化指標，并能實時觀測參數對動態響應曲線的影響，為系統設計提供依據。教師通過演示讓學生自己動手調節參數來改善系統動態過程，加深理解參數對控制系統的影響。

2.2 注意提高學生的動手能力和綜合實驗能力

大部分工科院校已經把MATLAB引入現代控制理論的課堂或實驗室。如果能把實際的系統作為現代控制理論的實驗設備，并把實際的實驗平臺和仿真結合起來，將會取得良好的學習效果，同時會提高學生的動手能力和學習的動力。目前常用的現代控制理論實驗設備為倒立擺和雙旋翼，它們是典型的非線性、多變量、高階次的復雜系統。倒立擺系統可以做驗證性實驗，驗證控制理論的控制效果，也可以做開發性實驗提高學生的創新能力。它已經成為現代控制理論教學、實驗和科研的理想實驗平臺。實驗主要研究倒立擺系統的建模和狀態反饋設計方法。先建立一級倒立擺系統的狀態空間模型，基于MATLAB軟件分析系統的能控性和能觀測性，根據給定的穩態和瞬態參數要求設計系統的狀態反饋矩陣。然后基于倒立擺實驗平臺檢驗得到的理論計算結果。通過上述實驗，學生可以加深理解復雜系統的狀態空間分析方法，提高對復雜控制對象的分析和控制設計能力。

3 考核方式的改革

目前現代控制理論課程的考核方式主要采用期末試卷考查，平時成績一般就是平時考勤情況。這種考核方式試卷較難，學生很難在規定時間內做完，并且試卷計算量大，計算能力差的同學成績很難及格，如果簡單，計算量小，有很多學生又可以通過期末突擊的方式取得高分，學生層次拉不開。在試卷上很難體現學生的分析能力、動手能力和創新能力。因此，為了全面評價學生的學習效果，現代控制理論課程的考核方式主要采用試卷形式，輔以考勤、課堂討論、作業以及實驗成績。最終期末成績由期末考試成績和平時成績兩部分，其中考試成績占60%，考勤、課堂討論、作業以及實驗各占10%。

4 結束語

本文根據本校現代控制理論課程教學中發現的問題，提出幾點改革方案，改革從理論教學、實驗教學以及考核方式等方面闡述，通過改革以求達到較好的教學效果。教學改革理論方面的很容易實現，但實驗方面需要先開設實驗課程，再購買實驗設備，這些需要任課教師與學校協商解決。教學改革任重道遠，需要不斷改革來適應不同時代大學生的學習特點以及社會不斷發展對大學生需求的變化。

[1] 田佳,戰振忠.基于MATLAB平臺的現代控制理論研究[J].吉林工程技術師范學院學報,2010,26(9):76-77.

[2]王從慶,丁勇.現代控制理論課程教學改革的實踐與探討[J].南京:南京航空航天大學學報:自然科學版,2004,6(1):72-75.

[3]鄭志強,翁智.“現代控制理論”課程教學改革探索[J].實驗室研究與探索,2013,32(11):381-383.

[4]李生權,李娟,莫岳平.電氣專業現代控制理論課程教學的探索與實踐[J].安徽工業大學學報:社會科學版,2013,30(5):116-117.

[5]張正強,王艷霞.“現代控制理論”課程的教學探討[J].電氣電子教學學報,2009,31(5):31-32.

[6] 葉彪明.基于MATLAB的《現代控制理論》課程的實驗設計[J].實驗室研究與探索,2004,23(1):28-30.

Primary Exploration of Teaching Reform for Modern Control Theory Course

Zhang Sujun, Wang Chao, NingXin

School of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang, 453003, China

Modern control theory is difficult to the students of automation specialty, but it is also an important professional required courses. Therefore, the teaching reform program of modern control theory is proposed according to the problems encountered in teaching, for example, more formula, content abstract and difficult to understand and students study enthusiasm is not high, and so on. The reform program mainly contains theoretical teaching; experimental teaching and ways of evaluation, and so on three aspects. The teaching reform is to achieve the better teaching effect and lay a solid theoretical foundation for the employment and continuing their studies.

modern control theory; the teaching reform program; teaching effect

2016-01-27

張素君，碩士，講師。王超，碩士，講師。寧欣，在讀博士研究生，副教授。

國家自然科學基金(編號：61374136)，河南省高等教育教學改革重點研究項目(編號：2014SJGLX053)。