“抗干擾控制系統設計：從概念到實際”課程教改初探

喬建忠 余翔 張霄

摘 ?要 結合自動控制學科專業特點，針對教學過程中存在的理念落后、課堂形式陳舊、學生主觀能動性調動不足、考核方式缺乏以實踐為導向等問題，依托工程實踐案例，以抗干擾作為理論聯系實際的切入點，革新授課理念，改良授課形式，充分調動學生的主觀能動性和創造性，培養學生從“理科思維”到“工科思維”的轉變，有效地提升該課程的教學質量。

關鍵詞 自動控制課程;抗干擾控制系統;研究生;數學工具

中圖分類號：G642.3 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）17-0084-03

1 前言

“抗干擾控制系統設計：從概念到實際”課程的開設目的是通過介紹基于干擾觀測器的抗干擾控制技術和復合分層抗干擾控制技術的方法實現及應用情況，培養學生綜合運用所學經典控制與現代控制理論的基礎知識，提高學生分析問題和解決問題的能力，為從事控制理論與控制工程領域的學習和工作打下堅實的基礎。本課程開設的初衷是希望解決現有自動控制課程教學中理論與實踐脫節的問題，為學生在基礎理論知識學習與工程實踐應用之間鋪設一座橋梁。

2 自動控制課程教學中存在的問題

自動控制課程缺乏以實際應用作為落腳點 ?目前，我國自動控制課程的設置主要遵循控制理論的歷史發展軌跡，從19世紀的經典控制理論，到20世紀中葉的現代控制理論，再到20世紀末21世紀初逐步發展起來的智能控制。教材通常從實際中常見的反饋控制系統入手，理論由淺顯走向深入，逐步引入矩陣理論、微分方程、復變函數等先進數學工具[1]。這種課程設計的方式符合自動化專業本科生及研究生的認知規律，也符合科研人員的研究路線。但是，自動控制歸根到底是一門實踐科學，學生所學的理論知識需要付諸應用，并在實踐中鞏固、完善、升華，而當下自動控制課程教學明顯存在“深入有余、淺出不足”的弊端：通常，學生掌握了自動控制理論中所涉及的先進數學工具，卻無法靈活運用它們去處理當初引入這些工具所要解決的實際工程問題。不少學生反映，自動控制理論曲高和寡，不再是一門實踐科學，而是淪為象牙塔里的數學游戲，這已經明顯背離了這門學科產生的初衷[2]。

課程未能突出控制工程實踐中的主要矛盾 ?理論與實踐之間的鴻溝，主要體現在理論研究人員和工程師之間的視角不同。理論研究人員關注的是數學上的完備性、公式的簡潔性和正確性以及相比于現有理論結果的新穎性，而工程師更加關注的是經濟效益、運行成本、工程實現的便捷性、系統的可靠性和安全性等。通常，我國的研究生經歷了漫長的校園生涯和應試教育，在數學、物理方面的理論基礎十分牢固，且養成追求理論結果的完備性和正確性的習慣，其視角與理論研究人員較為接近。然而，對于自動控制專業的研究生，需要培養他們從“理科視角”向“工科視角”的轉變。現有自動控制課程追求理論的正確性和嚴謹性，這本無可厚非，但問題在于，缺乏了工程實踐案例作為支撐，學生往往無法抓住工程實踐中的主要矛盾，難以將艱澀的數學符號與龐大復雜的控制系統建立聯系，導致在面對實際問題時舉手無措。

考核指標陳舊，不利于學生發揮主觀能動性 ?現有自動控制課程通常采用傳統的期末考試的形式對學生的知識掌握程度進行考核，這種“教師出題、學生做題”的考核方式適于檢驗學生的理論知識的系統性和正確性，但無法反映出學生解決實際工程問題的能力。事實上，自動控制系統設計往往不是照本宣科、一成不變的，它需要學生充分運用所學理論知識，結合自身經驗，發揮主觀能動性和創造性來解決問題。任務完成情況也不能僅從理論正確性的角度來評價，需要根據實際工程需求、成本預算和系統可靠性等多個角度來綜合衡量[3]。

3 “從實踐中來、到實踐中去”的課程設計理念和教學思路

依托工程實踐案例，培養學生應用所學理論知識的能力 ?課程設計理念是以理論聯系實際為導向，以實際工程問題為切入點，引導學生將所學的自動控制理論知識活學活用。采取啟發式教學，通過將課堂授課、問題討論與案例實踐相結合的方式開展，課內外學時比例大體為5：1，要求學生合作完成案例分析與設計，并獨立完成實驗報告和課外自習。

在課堂教學過程中，以“學生主體”，進行課堂講解與試驗相結合，進而提高學生團隊合作、解決實際工程問題的能力，并且將以研究專題的形式進行探究式學習、基于問題的教學、基于項目的學習與文獻閱讀等。通過引入自動控制系統設計的實踐案例，培養學生圍繞任務指標制訂解決方案、規劃任務解決路線、運用所學理論工具分析系統行為、編程實現控制算法、結合系統反饋信息評價任務質量、對控制系統進行迭代優化等方面的工程能力。其中，對數學工具的合理、靈活運用貫穿始終。

工程問題的解決往往不是一個閉門造車的過程，而是涉及不同技術人員、環節、鏈條之間的溝通與協調。為此，在每堂課中都為學生留出自由思考和討論的時間，使他們能從彼此的交流中獲得靈感和啟發，同時提升總結自己想法、歸納問題、理解他人想法的能力，并建立以服務用戶為導向的系統設計理念[4]。

以抗干擾為核心，使學生把握自動控制系統設計的主要矛盾 ?經歷過漫長應試教育的研究生往往習慣于由別人提出問題，而自己只需要解決問題即可。在實際工程中，面對龐大復雜的控制對象和往往由非自動控制專業人士所提出的需求指標，自動控制專業的學生通常會不知從何下手。因此，本課程抓住控制系統設計中的核心問題——抗干擾，引導學生從“干擾—性能”這一控制系統的主要矛盾出發，從工程問題中提煉科學問題，根據干擾類型和影響的不同，運用不同的理論結果解決問題。以抗干擾為線索，幫助學生重新梳理控制理論的發展歷史，使學生發現原本艱澀的各類控制理論實際上都可以從抗干擾這一角度與實際工程問題聯系起來。

在課程教學中，重點介紹基于干擾觀測器的抗干擾控制技術和復合分層抗干擾控制技術的方法實現及應用情況，讓學生了解工程中對高精度控制技術提供理論基礎和工程解決辦法的迫切需要，培養學生綜合運用所學經典控制與現代控制理論的基礎知識，提高學生分析問題和解決問題的能力，為從事控制理論與控制工程領域的學習和工作打下堅實的基礎。通過分析航天器、電機、機器人等控制領域的常見對象，加深學生對于干擾的認識;剖析最新控制理論文獻中的經典抗干擾方法，幫助學生逐步形成抗干擾控制系統的設計與分析思路。從抗干擾這一思路出發，有助于學生在解決實際問題時迅速抓住主要矛盾，使得理論知識能夠有的放矢。

采用“平時成績+大作業”的考核方式，促進學生學以致用 ?本課程采用結課報告提交為主、課堂作業為輔的考核形式[5]。在每節課上會為學生布置課堂作業，課堂作業由各學生獨立完成或將學生分成若干小組，每個小組成員合作完成。課堂作業主要反映本堂課所涉及的控制對象、控制方法或控制系統，要求學生在課堂作業中能夠將理論知識應用到實際問題的解決中去，并總結出某一類特定對象、某一類需求或某一類特定問題的設計與分析規律。當以小組為單位完成時，小組成員需要在明確分工的基礎上各司其職，同時做到相互之間充分交流溝通，共同完成技術報告，進行設計成果演示和口頭答辯等。結課報告由每名學生獨立完成，內容涉及復雜控制系統的抗干擾設計問題。

具體地，學生被要求針對一類較為復雜的控制對象，根據用戶實際需求，給出“干擾量化—能力分析—抗干擾控制系統設計與實現—系統性能評估與迭代優化”全鏈條設計方案，從問題提煉能力、解決思路與問題分析能力、任務品質評價能力等角度綜合衡量學生的工程實踐能力，并在期末成績上予以合理體現[6-8]。

4 教學反饋與效果評價

教學效果主要由從學生能力的提升、學生提交課程報告的質量、同行授課專家聽課反饋以及學生導師反饋這四方面體現。筆者發現，課改之后，學生對自動控制學科有了新的認識與體會，不再拘泥于書本上的理論知識和公式推導，而是更多地以一名工程實踐人員的角度看待問題。從學生提交的課程報告來看，學生已經具備基本的抗干擾控制系統設計能力，能夠充分利用相關控制理論知識對系統進行行為分析和品質分析。在設計控制系統時，學生的主觀能動性被充分調動起來，提出很多新穎且實用性強的解決思路和解決方案，效果甚至超出預期。接受課改教育的學生紛紛表示，從本課程的學習過程中有效提高了自己提煉問題、分析問題、解決問題的工程實踐能力，對日后走上工作崗位，應對更加復雜的實際問題起到很大的幫助作用。

5 結語

隨著自動控制專業的不斷發展，學以致用已成為自動控制學科設置的最終目標。通過開設“抗干擾控制系統設計：從概念到實際”這門課程，引入更加先進的授課理念和教學內容，能夠充分發揮學生的主觀能動性，培養學生的工程思維和解決實際問題能力，進一步滿足了工業界對自動控制專業研究生的要求。

參考文獻

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