賀躍幫+王天雷

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

關(guān)鍵詞 現(xiàn)代控制 教學(xué)方法 實踐教學(xué)

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(xiàn)代控制課程特點及現(xiàn)狀分析

現(xiàn)代控制理論這門課程是高等工科院校自動化專業(yè)的一門重要的專業(yè)核心課程。[1，2]它以高等數(shù)學(xué)，線性代數(shù)，復(fù)變函數(shù)，自動控制原理為基礎(chǔ)，理論性強，內(nèi)容豐富，概念抽象，數(shù)學(xué)推理與矩陣運算多，導(dǎo)致學(xué)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(xué)模式，沒有實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生難以應(yīng)用。盡管如此，近幾年，隨著各種大學(xué)生科技競賽（如“恩智浦杯”智能汽車競賽，電子設(shè)計大賽，機器人大賽）受到應(yīng)用型大學(xué)的重視與參與，也隨著我國產(chǎn)業(yè)升級，機器人在各行各業(yè)開始大量出現(xiàn)，現(xiàn)代控制理論知識的掌握與應(yīng)用已越來越重要。

作為培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)應(yīng)用型人才的五邑大學(xué)，近幾年已開始在教學(xué)大綱設(shè)計上側(cè)重大學(xué)生工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)，如增加實訓(xùn)環(huán)節(jié)。同時也鼓勵各學(xué)院進行教學(xué)改革，成立各種綜合實驗班。與此同時，理論教學(xué)課時受到擠壓，導(dǎo)致目前現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)越發(fā)難以實現(xiàn)教學(xué)目標。

基于以上情況，結(jié)合筆者這些年實際教學(xué)經(jīng)驗與體會，以及我校自動化專業(yè)在校學(xué)生的實際情況，本文針對課堂教學(xué)、實踐教學(xué)和考核方式等方面改革做一些相關(guān)探討。

2 課堂教學(xué)的改革

2.1 變革課程教學(xué)方式

傳統(tǒng)的教學(xué)方式多數(shù)為以教師為中心的填鴨式教學(xué)。面對現(xiàn)代控制理論這種涉及到繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，較多抽象的概念，這種方式極易使學(xué)生產(chǎn)生恐懼心理和厭學(xué)情緒，也不能有效提高學(xué)生的創(chuàng)新性思維和實際應(yīng)用能力。而應(yīng)用型大學(xué)教學(xué)強調(diào)“應(yīng)用型”教學(xué)，在教學(xué)中增加更多的實際案例環(huán)節(jié)和互動環(huán)節(jié)，積極引導(dǎo)學(xué)生自覺深入挖掘有用知識，強調(diào)學(xué)生自主學(xué)習(xí)與應(yīng)用能力培養(yǎng)。[3]教師在現(xiàn)代控制理論教學(xué)中應(yīng)將應(yīng)用型與傳統(tǒng)型教學(xué)方式合理結(jié)合，既側(cè)重基礎(chǔ)知識講授，同時也要引導(dǎo)學(xué)生置身案例背景和角色中，積極思考、勤于應(yīng)用，為以后成為應(yīng)用型工程師打下堅實理論基礎(chǔ)。

2.2 充分利用網(wǎng)絡(luò)資源

在網(wǎng)絡(luò)越來越發(fā)達的今天，應(yīng)充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，激發(fā)學(xué)生自覺探求現(xiàn)代控制理論知識，挖掘應(yīng)用方法和途徑。一方面鼓勵學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)（如斯坦福網(wǎng)絡(luò)公開課程，國內(nèi)精品課程等）學(xué)習(xí)現(xiàn)代控制理論知識；另一方面，教師需要與時俱進，及時關(guān)注學(xué)生興趣熱點，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，合理更新教學(xué)案例。近年來，筆者根據(jù)學(xué)生的興趣，依賴網(wǎng)絡(luò)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(xué)案例，獲得了較好的教學(xué)效果。

2.3 在現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)中引入MATLAB軟件

現(xiàn)代控制理論課程內(nèi)容復(fù)雜抽象，要求基礎(chǔ)高，為在最短時間內(nèi)，將現(xiàn)代控制理論基本知識和應(yīng)用案例立體化呈現(xiàn)給學(xué)生，筆者在課堂教學(xué)中引入MATLAB。MATLAB軟件是一款編程語言簡單，功能強大，能實現(xiàn)現(xiàn)代控制理論課程所需要的所有數(shù)學(xué)計算，是課堂快速實現(xiàn)案例建模，仿真，并呈現(xiàn)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(jù)教學(xué)進度，依賴案例建模并編程，多角度仿真，可視化呈現(xiàn)各種理論應(yīng)用效果。學(xué)生在課堂上不僅能看到現(xiàn)代控制理論知識應(yīng)用于實際的仿真過程，還能看到整個參數(shù)調(diào)試過程，再加上教師的詳細講解，這非常有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注問題的重點，也為課后學(xué)生實踐提供了指導(dǎo)意義。教學(xué)實踐表明，MATLAB的應(yīng)用，不僅能有效解決現(xiàn)代控制理論教學(xué)中理論知識講解和實際應(yīng)用脫節(jié)的問題，還能增強教學(xué)的生動性，提高教學(xué)效率。

3 實踐教學(xué)內(nèi)容的改革

現(xiàn)代控制理論課程實踐性和應(yīng)用性很強，對學(xué)生的綜合素質(zhì)要求高，因此教學(xué)上不僅要精心設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生具備扎實的理論基礎(chǔ)，還要注重實踐教學(xué)，精心設(shè)計實驗內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生動手能力和應(yīng)用能力。

3.1 合理安排實驗內(nèi)容

實驗是培養(yǎng)學(xué)生動手能力，分析問題解決問題能力的重要環(huán)節(jié)。在保證實驗教學(xué)課時的基礎(chǔ)上，適當加大設(shè)計性、綜合性實驗的比重，以培養(yǎng)學(xué)生綜合解決實際問題的能力，尤其是適當提高教學(xué)案例在實驗中的比例，可達到實驗與教學(xué)互動，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效率。另外，教師可將實驗指導(dǎo)書及實驗任務(wù)提前布置給學(xué)生，讓學(xué)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(jié)省實驗時間，同時也能讓學(xué)生掌握仿真軟件的使用。

3.2 加強課程設(shè)計環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)設(shè)計能力

課程設(shè)計是將所學(xué)理論知識與實踐結(jié)合的重要環(huán)節(jié)，是教學(xué)計劃中綜合性較強的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)?，F(xiàn)代理論控制由于涉及的基礎(chǔ)較多，一到兩周時間內(nèi)，完全由學(xué)生獨立自主實現(xiàn)的可能性不高。因此，課程設(shè)計需依托學(xué)校實訓(xùn)基地或相關(guān)科技競賽（已有相關(guān)硬件平臺）設(shè)計題目，以學(xué)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(shè)計方案，并仿真調(diào)試。仿真調(diào)試成功后，再利用實訓(xùn)基地平臺，進入實際系統(tǒng)軟件開發(fā)流程，最終做出實物。通過整個控制設(shè)計流程的訓(xùn)練，學(xué)生基本可以掌握控制系統(tǒng)開發(fā)流程，為畢業(yè)后走上相關(guān)工作崗位打下基礎(chǔ)。

3.3 引導(dǎo)學(xué)生參加科技競賽

將現(xiàn)代控制理論知識應(yīng)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(chǔ)扎實、學(xué)習(xí)興趣濃厚、創(chuàng)新能力較強的學(xué)生參加校級、省級、國家級各類科技競賽，有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激勵學(xué)生更深入地鉆研現(xiàn)代控制理論相關(guān)知識。目前，我校成立了創(chuàng)新實驗室，組織了一批指導(dǎo)老師，吸引了一大批創(chuàng)新能力強的學(xué)生，設(shè)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(tǒng)，并在多個電子設(shè)計大賽，挑戰(zhàn)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(xué)工作產(chǎn)生了積極的影響。

3.4 完善考核方式

目前，現(xiàn)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(xiàn)以及課后作業(yè)；期末成績采用閉卷形式，考核相關(guān)基本概念和理論知識。這種考試形式過于側(cè)重學(xué)生對理論知識的了解和掌握，容易使學(xué)生誤以為學(xué)習(xí)現(xiàn)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(xué)生分析與解決問題的能力。改革后的課程考核結(jié)合平時成績、期末成績、實驗成績以及開放性自主設(shè)計成績四部分組成。期末考核改閉卷考試為開卷考試，強調(diào)學(xué)生對知識的靈活應(yīng)用能力，而不是對知識點的記憶。實驗考核借助實訓(xùn)設(shè)備，來加強學(xué)生動手實踐能力培養(yǎng)。開放性自主設(shè)計可分兩類，一類為一些小作品設(shè)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(xiàn)代控制理論知識面較多的作品設(shè)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(xué)舉例

由劉豹，唐萬生主編的“現(xiàn)代控制理論”的第5章極點配置課堂教學(xué)中，[5]傳統(tǒng)教學(xué)著重在理論上證明能控性是采用狀態(tài)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(xiàn)任意極點配置的充要條件。在狀態(tài)反饋極點配置控制器設(shè)計和觀測器設(shè)計過程中，雖然能夠強調(diào)控制系統(tǒng)的性能主要取決于系統(tǒng)閉環(huán)極點在根平面上的分布，但在應(yīng)用舉例中，一般強調(diào)設(shè)計過程和步驟，對于極點的設(shè)計，往往只是隨意取一組具有負實部的極點，保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這種教學(xué)方式對于理論教學(xué)是可以的，但作為應(yīng)用型大學(xué)教學(xué)，需要強調(diào)在實際中的應(yīng)用。教學(xué)過程中可以設(shè)計案例，以MATLAB仿真課堂教學(xué)和實驗或課程設(shè)計，來檢驗極點配置方法在實際應(yīng)用中是否真的可以被任意配置。

筆者近年來設(shè)計的四旋翼無人機控制為多輸入多輸出系統(tǒng)，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(shè)計和觀測器設(shè)計的效果，學(xué)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(shù)據(jù)結(jié)合MATLAB仿真來直觀地顯示極點配置控制器或觀測器的設(shè)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(shè)計后高度和速度估計MATLAB仿真結(jié)果。從中可以看出，觀測器設(shè)計不僅將速度估計出來，而且高度估計結(jié)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(xiàn)場調(diào)整配置的極點來觀測不同的結(jié)果，從而更直觀地讓學(xué)生體會配置的極點和觀測的結(jié)果的關(guān)系，也就能理解為什么不能任意配置極點的原因。實際教學(xué)應(yīng)用中，學(xué)生反映積極，教學(xué)效果得到極大提高。

4 結(jié)語

作為應(yīng)用型大學(xué)，針對現(xiàn)代控制理論教學(xué)中課堂教學(xué)、實驗教學(xué)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(xué)效果看，這些方面的改革激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，提高了學(xué)生實踐和綜合應(yīng)用能力，改善了教學(xué)質(zhì)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(xué)實踐中不斷總結(jié)、改進和完善，為持續(xù)提高教學(xué)質(zhì)量貢獻力量。

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

參考文獻

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

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

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

[4] 王燕平.控制系統(tǒng)仿真與CAD[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[5] 劉豹，唐萬生.現(xiàn)代控制理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.7.