應用型大學現代控制理論教學方式探討

賀躍幫+王天雷

摘 要 針對現代控制理論課程的特點以及應用型大學要求，本文針對課堂教學、實驗教學以及考核方式等方面討論了現代控制理論教學的一些方法，提出了一些見解，并將上述方法應用到實際教學工作中，取得了較好的教學效果。

關鍵詞 現代控制 教學方法 實踐教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2017.02.042

Abstract According to the characteristics of the course of modern control theory and application requirements of the University， based on classroom teaching， experiment teaching and assessment methods are discussed. Some methods of modern control theory teaching， puts forward some opinions， and applied to the actual teaching work， and achieved good teaching effect.

Keywords modern control； teaching methods； practice teaching

1現代控制課程特點及現狀分析

現代控制理論這門課程是高等工科院校自動化專業的一門重要的專業核心課程。[1，2]它以高等數學，線性代數，復變函數，自動控制原理為基礎，理論性強，內容豐富，概念抽象，數學推理與矩陣運算多，導致學生要掌握難度很大。長期以來，該課僅有以教師為中心的課堂教學模式，沒有實踐教學環節，導致學生難以應用。盡管如此，近幾年，隨著各種大學生科技競賽（如“恩智浦杯”智能汽車競賽，電子設計大賽，機器人大賽）受到應用型大學的重視與參與，也隨著我國產業升級，機器人在各行各業開始大量出現，現代控制理論知識的掌握與應用已越來越重要。

作為培養創新創業應用型人才的五邑大學，近幾年已開始在教學大綱設計上側重大學生工程應用能力的培養，如增加實訓環節。同時也鼓勵各學院進行教學改革，成立各種綜合實驗班。與此同時，理論教學課時受到擠壓，導致目前現代控制理論課程教學越發難以實現教學目標。

基于以上情況，結合筆者這些年實際教學經驗與體會，以及我校自動化專業在校學生的實際情況，本文針對課堂教學、實踐教學和考核方式等方面改革做一些相關探討。

2 課堂教學的改革

2.1 變革課程教學方式

傳統的教學方式多數為以教師為中心的填鴨式教學。面對現代控制理論這種涉及到繁瑣的數學推導，較多抽象的概念，這種方式極易使學生產生恐懼心理和厭學情緒，也不能有效提高學生的創新性思維和實際應用能力。而應用型大學教學強調“應用型”教學，在教學中增加更多的實際案例環節和互動環節，積極引導學生自覺深入挖掘有用知識，強調學生自主學習與應用能力培養。[3]教師在現代控制理論教學中應將應用型與傳統型教學方式合理結合，既側重基礎知識講授，同時也要引導學生置身案例背景和角色中，積極思考、勤于應用，為以后成為應用型工程師打下堅實理論基礎。

2.2 充分利用網絡資源

在網絡越來越發達的今天，應充分利用網絡資源，激發學生自覺探求現代控制理論知識，挖掘應用方法和途徑。一方面鼓勵學生通過網絡（如斯坦福網絡公開課程，國內精品課程等）學習現代控制理論知識；另一方面，教師需要與時俱進，及時關注學生興趣熱點，充分利用網絡資源，合理更新教學案例。近年來，筆者根據學生的興趣，依賴網絡資源，編制了倒立擺，單球滾動機器人，模型車，四旋翼無人機的教學案例，獲得了較好的教學效果。

2.3 在現代控制理論課程教學中引入MATLAB軟件

現代控制理論課程內容復雜抽象，要求基礎高，為在最短時間內，將現代控制理論基本知識和應用案例立體化呈現給學生，筆者在課堂教學中引入MATLAB。MATLAB軟件是一款編程語言簡單，功能強大，能實現現代控制理論課程所需要的所有數學計算，是課堂快速實現案例建模，仿真，并呈現效果的少有幾款軟件之一。[4]

在課堂上，教師可以使用MATLAB軟件，根據教學進度，依賴案例建模并編程，多角度仿真，可視化呈現各種理論應用效果。學生在課堂上不僅能看到現代控制理論知識應用于實際的仿真過程，還能看到整個參數調試過程，再加上教師的詳細講解，這非常有利于提高學生的學習興趣，引導學生關注問題的重點，也為課后學生實踐提供了指導意義。教學實踐表明，MATLAB的應用，不僅能有效解決現代控制理論教學中理論知識講解和實際應用脫節的問題，還能增強教學的生動性，提高教學效率。

3 實踐教學內容的改革

現代控制理論課程實踐性和應用性很強，對學生的綜合素質要求高，因此教學上不僅要精心設計教學內容，培養學生具備扎實的理論基礎，還要注重實踐教學，精心設計實驗內容，培養學生動手能力和應用能力。

3.1 合理安排實驗內容

實驗是培養學生動手能力，分析問題解決問題能力的重要環節。在保證實驗教學課時的基礎上，適當加大設計性、綜合性實驗的比重，以培養學生綜合解決實際問題的能力，尤其是適當提高教學案例在實驗中的比例，可達到實驗與教學互動，提高學生的學習興趣和教學效率。另外，教師可將實驗指導書及實驗任務提前布置給學生，讓學生利用MATLAB仿真軟件在計算機上提前仿真，仿真成功后再到實驗室進行硬件驗證。這樣做可以節省實驗時間，同時也能讓學生掌握仿真軟件的使用。

3.2 加強課程設計環節，提高系統設計能力

課程設計是將所學理論知識與實踐結合的重要環節，是教學計劃中綜合性較強的實踐教學環節。現代理論控制由于涉及的基礎較多，一到兩周時間內，完全由學生獨立自主實現的可能性不高。因此，課程設計需依托學校實訓基地或相關科技競賽（已有相關硬件平臺）設計題目，以學生為主體，3-5人一組分工，先查找資料，建立控制對象模型，然后利用MATLAB仿真確定控制設計方案，并仿真調試。仿真調試成功后，再利用實訓基地平臺，進入實際系統軟件開發流程，最終做出實物。通過整個控制設計流程的訓練，學生基本可以掌握控制系統開發流程，為畢業后走上相關工作崗位打下基礎。

3.3 引導學生參加科技競賽

將現代控制理論知識應用于各類科技競賽中，有利于提高競賽作品的理論深度和可觀賞性，增加獲獎機會。實踐證明，通過組織一些基礎扎實、學習興趣濃厚、創新能力較強的學生參加校級、省級、國家級各類科技競賽，有利于調動學生的學習積極性，激勵學生更深入地鉆研現代控制理論相關知識。目前，我校成立了創新實驗室，組織了一批指導老師，吸引了一大批創新能力強的學生，設計了倒立擺、單球滾動機器人，模型車，四旋翼無人機、多足機器人、羽毛球自動撿球機等各種自主控制系統，并在多個電子設計大賽，挑戰杯，機器人大賽等各類科技競賽均獲得不錯的成績，這些對教學工作產生了積極的影響。

3.4 完善考核方式

目前，現代控制理論課程考核是由平時成績、期末成績兩部分組成。平時成績包含出勤、課堂表現以及課后作業；期末成績采用閉卷形式，考核相關基本概念和理論知識。這種考試形式過于側重學生對理論知識的了解和掌握，容易使學生誤以為學習現代控制理論只需死記硬背知識原理即可，因而難以全面準確地反映學生分析與解決問題的能力。改革后的課程考核結合平時成績、期末成績、實驗成績以及開放性自主設計成績四部分組成。期末考核改閉卷考試為開卷考試，強調學生對知識的靈活應用能力，而不是對知識點的記憶。實驗考核借助實訓設備，來加強學生動手實踐能力培養。開放性自主設計可分兩類，一類為一些小作品設計或仿真，在總評成績不超過100分的情況下，可適當加分；一類為難度較大，涉及現代控制理論知識面較多的作品設計，該作品完成并撰寫書面報告可代替期末考試。

3.5 極點配置課堂教學舉例

由劉豹，唐萬生主編的“現代控制理論”的第5章極點配置課堂教學中，[5]傳統教學著重在理論上證明能控性是采用狀態反饋任意極點配置的充要條件，能觀性是采用輸出到的線性反饋實現任意極點配置的充要條件。在狀態反饋極點配置控制器設計和觀測器設計過程中，雖然能夠強調控制系統的性能主要取決于系統閉環極點在根平面上的分布，但在應用舉例中，一般強調設計過程和步驟，對于極點的設計，往往只是隨意取一組具有負實部的極點，保證閉環系統的穩定性。這種教學方式對于理論教學是可以的，但作為應用型大學教學，需要強調在實際中的應用。教學過程中可以設計案例，以MATLAB仿真課堂教學和實驗或課程設計，來檢驗極點配置方法在實際應用中是否真的可以被任意配置。

筆者近年來設計的四旋翼無人機控制為多輸入多輸出系統，具有干擾大，控制難的特點，非常適合被用于檢驗極點配置控制器設計和觀測器設計的效果，學生從中也可以認識到為什么在實際中不能任意配置極點，如建模不準確，測量干擾大等原因都使得無法任意配置極點。課堂上也可以將實際數據結合MATLAB仿真來直觀地顯示極點配置控制器或觀測器的設計效果。圖1-2即是四旋翼無人機高度信息測量與極點配置觀測器設計后高度和速度估計MATLAB仿真結果。從中可以看出，觀測器設計不僅將速度估計出來，而且高度估計結果相對測量具有去除高頻干擾的效果，即具有濾波效果。課堂上，教師還可以現場調整配置的極點來觀測不同的結果，從而更直觀地讓學生體會配置的極點和觀測的結果的關系，也就能理解為什么不能任意配置極點的原因。實際教學應用中，學生反映積極，教學效果得到極大提高。

4 結語

作為應用型大學，針對現代控制理論教學中課堂教學、實驗教學和考核方式等方面，我系控制理論課題組的老師在近幾年進行了一系列的努力與探索。從教學效果看，這些方面的改革激發了學生學習的興趣，提高了學生實踐和綜合應用能力，改善了教學質量。當然，在探索實踐過程中，也遇到了很多新問題，這就要求我們教師還需要在教學實踐中不斷總結、改進和完善，為持續提高教學質量貢獻力量。

基金項目：廣東高校優秀青年創新人才培養計劃項目（2014KQNCX157），五邑大學2015年青年科研基金項目（2015zk12）

參考文獻

[1] 陳峰.CDIO模式下《現代控制理論》課程教學改革的探討[J].成都：實驗科學與技術，2012（10）.

[2] 姜順，張相勝，潘豐.《現代控制》課程教學改革的思考與探索[J].石家莊：教育教學論壇，2015 （41）.

[3] 王華榮.以案例教學推動大學課堂教學模式改革的實踐與探索[J].中國大學教育，2011（4）.

[4] 王燕平.控制系統仿真與CAD[M].北京：機械工業出版社，2011.

[5] 劉豹，唐萬生.現代控制理論[M].北京：機械工業出版社，2006.7.