現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)改革研究

潘俊濤　張巍巍　張白　范亞靜

摘? 要 現(xiàn)代控制理論是控制論的重要組成部分之一，現(xiàn)代控制理論課程是國內(nèi)高校自動化相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)課程。立足民族院校辦學(xué)特色，針對當(dāng)前現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)過程中存在的不足，依托學(xué)校現(xiàn)有的便攜式倒立擺實驗平臺，提出一種基于便攜式倒立擺的現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)改革方案。改革方案將便攜式倒立擺平臺的控制系統(tǒng)設(shè)計流程與課程核心知識點進行緊密結(jié)合，不僅更進一步突出對學(xué)生綜合運用知識能力的培養(yǎng)，而且建立了理論教學(xué)與工程實際間的橋梁，切合北方民族大學(xué)工程教育認證的發(fā)展規(guī)劃。

關(guān)鍵詞 便攜式倒立擺;現(xiàn)代控制理論;自動化專業(yè);實驗平

臺;教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）15-0091-03

1 引言

制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本，興國之器，強國之基。為適應(yīng)新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，我國于2015年3月首次提出“中國制造2025”宏偉計劃，并借此推動我國制造業(yè)由大變強，面向國際市場，提升中國制造的核心競爭力。為更好適應(yīng)“中國制造2025”發(fā)展規(guī)劃需求，國家對工程技術(shù)人才的培養(yǎng)也提出更高要求，特別是我國加入華盛頓協(xié)議以來，“中國工程教育專業(yè)認證”“新工科”建設(shè)等新興教學(xué)理念在我國高等教育中生根發(fā)芽。越來越多的高等院校圍繞工程教育認證主動修訂其人才培養(yǎng)方案，培養(yǎng)國際通用、實踐技術(shù)能力突出的工程技術(shù)人才。

自動控制作為“中國制造2025”的重要內(nèi)容之一，對我國制造業(yè)的發(fā)展有著深遠影響。所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（控制器），使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（被控對象）的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行[1]。目前，自動控制技術(shù)因其高效、準確等優(yōu)勢，已被廣泛用于人民的生產(chǎn)生活過程中，在新能源發(fā)電、汽車制造、自然資源開發(fā)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境治理、醫(yī)療康復(fù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，隨處可見自動控制技術(shù)的身影。因此，自動化技術(shù)人才培養(yǎng)對實施“中國制造2025”發(fā)展規(guī)劃起著舉足輕重的作用。

如何在新形勢下培養(yǎng)適應(yīng)“中國制造2025”發(fā)展規(guī)劃的自動化專業(yè)技術(shù)人才，是目前全國各高等院校自動化專業(yè)的重要課題。為此，全國許多高校積極響應(yīng)教育部關(guān)于開展工程教育認證的工作要求，結(jié)合自身辦學(xué)特色，陸續(xù)開展多種行之有效的自動化專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)改革方案，如北京科技大學(xué)、西安理工大學(xué)、北京化工大學(xué)等。雖然各高校的自動化專業(yè)人才培養(yǎng)方案各有特色，但主框架不變，特別是自動控制理論類課程（即自動控制原理、現(xiàn)代控制理論），在各個高校的人才培養(yǎng)體系中均處于核心地位。此外，自動控制類課程也是各高校研究生入學(xué)考試的必考內(nèi)容。由此可見自動控制類課程對自動化專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)的重要性。

北方民族大學(xué)作為國家民族事務(wù)委員會直屬高校之一，主要宗旨是為少數(shù)民族地區(qū)培養(yǎng)少數(shù)民族高素質(zhì)專業(yè)人才，以期提升少數(shù)民族地區(qū)的經(jīng)濟水平和生活水平。根據(jù)我國現(xiàn)行的自動化專業(yè)人才培養(yǎng)規(guī)范，北方民族大學(xué)針對高年級的自動化專業(yè)學(xué)生開設(shè)了現(xiàn)代控制理論課程，以滿足學(xué)生考研及就業(yè)的需求。現(xiàn)代控制理論是以線性代數(shù)為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的工程控制理論課，課程知識包含大量煩瑣的數(shù)學(xué)分析和定理證明，核心要點概念抽象，學(xué)習(xí)難度較其他專業(yè)課程大，特別是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱的少數(shù)民族學(xué)生，普遍感覺吃力。另一方面，課程理論性極強，雖有工程背景，但鮮有工程實際內(nèi)容，教學(xué)過程中很難讓學(xué)生建立課程知識與工程實際的聯(lián)系，授課內(nèi)容枯燥抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)效果不盡如人意。

如何在現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)中提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，改善其學(xué)習(xí)積極性，高質(zhì)量地完成大綱教學(xué)內(nèi)容，是任課教師亟待解決的主要問題之一。倒立擺實驗平臺是自動控制算法研究領(lǐng)域廣為采用的控制算法驗證平臺。工程實際中的許多控制問題，如雙足機器人行走、火箭垂直發(fā)射、下肢癱瘓病人康復(fù)訓(xùn)練等，均可抽象為倒立擺的控制問題。因此，對其進行控制研究具有重大的實際意義。需要指出的是，倒立擺實驗平臺的控制設(shè)計流程與現(xiàn)代控制理論課程知識點有著非常緊密的聯(lián)系。

有鑒于此，本文提出一種基于倒立擺的現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)改革方案。改革方案將課程知識點分散到倒立擺實驗平臺控制設(shè)計的流程中，從而搭建理論知識與工程實際間的橋梁。此外，為了讓學(xué)生積極參與倒立擺的控制設(shè)計，本文采用深圳某科技有限公司開發(fā)的便攜式倒立擺實驗平臺，其便攜性打破了傳統(tǒng)實驗設(shè)備地域限制，學(xué)生可以利用自己的筆記本計算機隨時隨地在該平臺對設(shè)計的控制算法進行驗證。實踐教學(xué)表明，因為實際對象的介入，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣有了顯著提高，課程的學(xué)習(xí)效果也較以往得到明顯增強。

2 課程改革實施方案

根據(jù)學(xué)校對工科類專業(yè)培養(yǎng)方案制訂的工作要求，北方民族大學(xué)現(xiàn)行的現(xiàn)代控制理論課程為48學(xué)時，其中理論課40學(xué)時，實驗課8學(xué)時。考慮到民族院校學(xué)生基礎(chǔ)普遍不足，在保證教學(xué)大綱要求的情況下，首先對授課內(nèi)容進行優(yōu)化，略去煩瑣的數(shù)學(xué)證明，強調(diào)對定理結(jié)果的理解及應(yīng)用;同時加強MATLAB仿真軟件在課程中的應(yīng)用，相應(yīng)地增加大量的上機作業(yè)，并以此引導(dǎo)學(xué)生從以往的“學(xué)知識”向“用知識”轉(zhuǎn)變，強化學(xué)生綜合運用知識的能力，高度切合目前我國高等教育對工科學(xué)生的教育要求。隨后，將便攜式倒立擺控制算法設(shè)計流程分散到課程各核心知識點的講解中，將晦澀抽象的知識概念落到實處。具體對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

受限于篇幅，本文以線性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模為例，講解如何基于便攜式倒立擺對課程內(nèi)容進行改革。教材第一章“動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述”主要講解一般控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式。這是設(shè)計控制系統(tǒng)的第一步，對整個系統(tǒng)的控制算法設(shè)計起著至關(guān)重要的作用。然而，教材中關(guān)于系統(tǒng)狀態(tài)空間描述的“數(shù)學(xué)”講解十分晦澀難懂。

【定義1】動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)是完全地描述系統(tǒng)動態(tài)系統(tǒng)運動狀況的信息，系統(tǒng)在某一時刻的運動狀況可以用該時刻系統(tǒng)運動的一組信息表征，定義系統(tǒng)運動信息的集合為狀態(tài)。

定義1是對動態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的講解，具有較強的數(shù)學(xué)性。其定義中“完全描述”“系統(tǒng)運動狀況”等詞匯，由于過于抽象，無法和實際對象進行聯(lián)系，導(dǎo)致學(xué)生很難理解。為幫助學(xué)生理解，教學(xué)中會采用一些工程實例來講解。但學(xué)生因為沒有接觸過這些實例，導(dǎo)致在理解的時候多有出入，學(xué)習(xí)效果并不理想。

為此，本文在該環(huán)節(jié)的講授過程中引入便攜式倒立擺，如圖1所示。由于該實驗設(shè)備的便攜性，可將該設(shè)備帶入課堂，現(xiàn)場演示控制系統(tǒng)的運行，讓學(xué)生近距離熟悉認知該設(shè)備，并對系統(tǒng)的運動狀態(tài)進行宏觀分析，從而引出可表征系統(tǒng)運動狀況的物理量（位置、速度、角度、角速度）。通過授課教師課堂提問引導(dǎo)，讓學(xué)生主動思考系統(tǒng)狀態(tài)中“完全描述”的現(xiàn)實含義，加深學(xué)生對晦澀知識概念的理念，也為后期實現(xiàn)倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計提供保障。

3 結(jié)語

為進一步切合學(xué)校對工程教育認證的發(fā)展規(guī)劃，本文針對現(xiàn)有現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的不足，提出一種基于便攜式倒立擺的課程教學(xué)改革方案。改革方案在滿足教學(xué)大綱規(guī)定要求的前提下，強化了學(xué)生對課程知識綜合運用能力的培養(yǎng)，通過便攜式倒立擺建立課本知識與工程實際間的聯(lián)系，積極引導(dǎo)學(xué)生從被動學(xué)習(xí)向主動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，教學(xué)質(zhì)量得到有效提升。

參考文獻

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