“網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)”課程的教學探索

萬雄波　張傳科

摘要：本文分析了我校研究生選修課程“網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)”的特色，給出了基于不同主線的兩種教學內(nèi)容安排方式。針對選課學生的具體特點，包括研究方向，基本技能，興趣愛好等，分析了如何充分發(fā)揮這兩種教學內(nèi)容安排方式的優(yōu)點，提出更合理的教學內(nèi)容安排方式，以調(diào)動學生學習積極性，并提高教學效果。指出未來探索的新方向。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)；教學內(nèi)容安排；網(wǎng)絡誘導現(xiàn)象；建模方法

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）50-0116-02

隨著網(wǎng)絡技術(shù)的飛快發(fā)展，網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)在移動傳感器網(wǎng)絡、遠程手術(shù)、智能交通、航空航天等各領域都得到了廣泛應用[1]。網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)是指用數(shù)字通信網(wǎng)絡實現(xiàn)分布在不同區(qū)域的傳感器、控制器和執(zhí)行器等部件之間信息傳遞和信號傳輸?shù)南到y(tǒng)[2]。網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的研究，不僅能夠促進其在各行各業(yè)深入廣泛的應用，同時也為控制學科其他領域的研究，如基因調(diào)控網(wǎng)絡和傳感器網(wǎng)絡等提供借鑒和參考。正是基于這種考慮，我校開設了研究生專業(yè)選修課程“網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)”。

有別于其他以現(xiàn)場總線為背景的同類課程[3]，我校開設的“網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)”課程主要講授網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的分析和設計方法。針對由于網(wǎng)絡帶寬有限產(chǎn)生的諸如時滯、丟包、亂序、量化誤差等各種網(wǎng)絡誘導現(xiàn)象，建立合適的數(shù)學模型，并基于所建立的數(shù)學模型，采用控制理論的方法探討網(wǎng)絡化系統(tǒng)的分析與設計問題。

針對我校“網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)”課程的特色，在教學內(nèi)容的安排方面我們嘗試了如下幾種思路。

一、以網(wǎng)絡誘導現(xiàn)象為主線的教學內(nèi)容安排

有限的網(wǎng)絡帶寬產(chǎn)生的各種網(wǎng)絡誘導現(xiàn)象，不僅嚴重降低系統(tǒng)性能，甚至導致系統(tǒng)失穩(wěn)。同時，這些網(wǎng)絡誘導現(xiàn)象極大地增加了系統(tǒng)分析和設計的復雜度。因此，我校“網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)”課程所探討的一個核心問題就是如何分析網(wǎng)絡誘導現(xiàn)象對系統(tǒng)性能的影響以及如何給出控制系統(tǒng)的最優(yōu)設計方案。

在教學內(nèi)容的安排上，一個很自然的想法就是以各種網(wǎng)絡誘導現(xiàn)象為主線。從簡單現(xiàn)象入手，先講授只存在某一種網(wǎng)絡誘導現(xiàn)象時，網(wǎng)絡化系統(tǒng)的分析和設計方法。例如，在講述時滯現(xiàn)象時，可以分別介紹典型的區(qū)間時變時滯、Markov隨機過程等描述方法；在講述丟包現(xiàn)象時，可介紹時滯、隨機和切換等描述方法。

由于帶寬有限，網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)中的各種網(wǎng)絡誘導現(xiàn)象都有可能發(fā)生，因此，單獨針對某種網(wǎng)絡誘導現(xiàn)象的網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的分析和設計方法可能在許多場合并不適用，需要進一步考慮多種網(wǎng)絡誘導現(xiàn)象都可能發(fā)生時系統(tǒng)的分析和設計問題。在學生已掌握上述單個網(wǎng)絡誘導現(xiàn)象的處理方法后，可進一步講授多種網(wǎng)絡誘導現(xiàn)象的處理方法。例如針對可能同時出現(xiàn)丟包和時滯的網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)，可以分別講授基于時滯系統(tǒng)方法、基于Markov跳變系統(tǒng)方法和基于切換系統(tǒng)方法等建立統(tǒng)一模型，并進而介紹系統(tǒng)的分析和設計方法。

上述以網(wǎng)絡誘導現(xiàn)象為主線的內(nèi)容安排方式，可使學生較好地理解網(wǎng)絡誘導現(xiàn)象的成因和類型，認識到網(wǎng)絡化系統(tǒng)建模的重要性，從整體的角度把握網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)研究的脈絡。但這種以網(wǎng)絡誘導現(xiàn)象為主線的教學內(nèi)容安排不利于學生對基本控制理論和方法的掌握。例如在分別介紹時滯和丟包現(xiàn)象時，通常會相繼介紹時滯系統(tǒng)、隨機系統(tǒng)以及切換系統(tǒng)的建模方法等，并簡單介紹對應的系統(tǒng)分析和設計方法。這樣的安排容易讓學生眼花繚亂，尤其不利于學生系統(tǒng)掌握時滯、隨機以及切換系統(tǒng)的分析和處理方法，而這類系統(tǒng)的處理方法在研究控制學科其他分支，如多智能體系統(tǒng)、復雜網(wǎng)絡、基因網(wǎng)絡等將起到至關(guān)重要的作用。因此，對于“網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)”課程而言，單純以網(wǎng)絡誘導現(xiàn)象為主線的教學內(nèi)容安排方式通常并不可取。

二、以建模方法為主線的教學內(nèi)容安排

“網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)”課程的另一種可能的內(nèi)容安排方式是以建模方法為主線。即分別介紹網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的常用建模方法，如時滯系統(tǒng)方法、隨機系統(tǒng)方法以及切換系統(tǒng)方法等，并在此基礎上，相繼介紹可以分別采用時滯、隨機和切換方法描述的具有一種或多種網(wǎng)絡誘導現(xiàn)象的網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的分析和設計方法。

這種以建模方法為主線的教學內(nèi)容安排方式，盡管強化了對常用控制理論和方法的講授，但卻不利于學生對“網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)”課程的整體把握，尤其不利于學生系統(tǒng)地了解各種網(wǎng)絡誘導現(xiàn)象的類別、成因和分析方法等。因此，以建模方法為主線的“網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)”教學內(nèi)容安排方式同樣也有很多不足之處。

三、基于學生特點分析的教學內(nèi)容安排

以網(wǎng)絡誘導現(xiàn)象和以建模方法為主線的“網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)”課程教學內(nèi)容安排方式都有其自身的優(yōu)點和缺點，因此需要探索一種更為合理的教學內(nèi)容安排方式，充分發(fā)揮以上兩種教學內(nèi)容安排方式的優(yōu)點，揚長避短。

經(jīng)過教學實踐和大量調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)采用如下的方式優(yōu)化教學內(nèi)容安排，可以極大地調(diào)動學生學習積極性，并提高教學效果。即針對選課學生的不同特點，因材施教，在以網(wǎng)絡誘導現(xiàn)象為主線安排教學內(nèi)容的同時，有針對性地加強部分建模方法的講授。

選課學生的特點（包括研究方向，基本研究技能，興趣愛好等）不同，他們對課程內(nèi)容的需求也有所不同。例如大部分學生都將開展與時滯相關(guān)的研究，那么考慮到學生對時滯系統(tǒng)分析和設計等方面知識的需求，同時也為了促進學生更好地理解基于時滯系統(tǒng)方法的網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的分析和設計，可以適當安排部分學時，專門加強時滯系統(tǒng)理論和方法的講授，并強調(diào)這些新的時滯系統(tǒng)方法在網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)中的實際應用。這樣，不僅可以使學生從整體的角度了解網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的基本概念以及分析與設計方法等，而且通過加強對具體控制理論和方法的講授，對學生今后從事網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)相關(guān)領域的研究也大有裨益。

四、今后探索的方向

在今后的教學過程中，要加強對學生特點的調(diào)研，并基于這些特點進一步探索更合理的網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的教學內(nèi)容安排方式。此外，還要加強實踐環(huán)節(jié)的講授[4]，針對具體的網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)，講授實際系統(tǒng)的分析和設計方法，提高學生對實際問題的分析和解決能力。在教學方式上，要增加與學生的互動和研討環(huán)節(jié)，通過課程論文演講與答辯等各種形式，提高學生課堂參與度，充分調(diào)動學生學習的積極性，增強其自學能力。

參考文獻：

[1]J.P.Hespanha，P.Naghshtabrizi，Y.G.Xu，A survey of recent results in networked control systems，Proc.IEEE，2007，95（1）：138-162.

[2]萬雄波.不完整量測下網(wǎng)絡化系統(tǒng)故障檢測與控制[J].華中科技大學博士學位論文，2011.

[3]黃號凱，竇峰山，李曉龍，龍志強.“網(wǎng)絡化控制”實踐教學系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].實驗室科學，2016，19（4）：83-86.

[4]謝昊飛，蔡龍騰，網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)實驗教學模式改革[J].實驗室研究與探索，2015，34（1）：189-192.