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(guó)內(nèi)高校自動(dòng)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(duì)當(dāng)前現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)過(guò)程中存在的不足，依托學(xué)?，F(xiàn)有的便攜式倒立擺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(tái)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程與課程核心知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行緊密結(jié)合，不僅更進(jìn)一步突出對(duì)學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)能力的培養(yǎng)，而且建立了理論教學(xué)與工程實(shí)際間的橋梁，切合北方民族大學(xué)工程教育認(rèn)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(dòng)化專業(yè);實(shí)驗(yàn)平

臺(tái);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.0? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）15-0091-03

1 引言

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國(guó)之本，興國(guó)之器，強(qiáng)國(guó)之基。為適應(yīng)新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，我國(guó)于2015年3月首次提出“中國(guó)制造2025”宏偉計(jì)劃，并借此推動(dòng)我國(guó)制造業(yè)由大變強(qiáng)，面向國(guó)際市場(chǎng)，提升中國(guó)制造的核心競(jìng)爭(zhēng)力。為更好適應(yīng)“中國(guó)制造2025”發(fā)展規(guī)劃需求，國(guó)家對(duì)工程技術(shù)人才的培養(yǎng)也提出更高要求，特別是我國(guó)加入華盛頓協(xié)議以來(lái)，“中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證”“新工科”建設(shè)等新興教學(xué)理念在我國(guó)高等教育中生根發(fā)芽。越來(lái)越多的高等院校圍繞工程教育認(rèn)證主動(dòng)修訂其人才培養(yǎng)方案，培養(yǎng)國(guó)際通用、實(shí)踐技術(shù)能力突出的工程技術(shù)人才。

自動(dòng)控制作為“中國(guó)制造2025”的重要內(nèi)容之一，對(duì)我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展有著深遠(yuǎn)影響。所謂自動(dòng)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(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行[1]。目前，自動(dòng)控制技術(shù)因其高效、準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)，已被廣泛用于人民的生產(chǎn)生活過(guò)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(dòng)控制技術(shù)的身影。因此，自動(dòng)化技術(shù)人才培養(yǎng)對(duì)實(shí)施“中國(guó)制造2025”發(fā)展規(guī)劃起著舉足輕重的作用。

如何在新形勢(shì)下培養(yǎng)適應(yīng)“中國(guó)制造2025”發(fā)展規(guī)劃的自動(dòng)化專業(yè)技術(shù)人才，是目前全國(guó)各高等院校自動(dòng)化專業(yè)的重要課題。為此，全國(guó)許多高校積極響應(yīng)教育部關(guān)于開展工程教育認(rèn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)控制理論類課程（即自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代控制理論），在各個(gè)高校的人才培養(yǎng)體系中均處于核心地位。此外，自動(dòng)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(dòng)控制類課程對(duì)自動(dòng)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(guó)家民族事務(wù)委員會(huì)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(jì)水平和生活水平。根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行的自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)規(guī)范，北方民族大學(xué)針對(duì)高年級(jí)的自動(dòng)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?，F(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(shí)包含大量煩瑣的數(shù)學(xué)分析和定理證明，核心要點(diǎn)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(qiáng)，雖有工程背景，但鮮有工程實(shí)際內(nèi)容，教學(xué)過(guò)程中很難讓學(xué)生建立課程知識(shí)與工程實(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)是自動(dòng)控制算法研究領(lǐng)域廣為采用的控制算法驗(yàn)證平臺(tái)。工程實(shí)際中的許多控制問題，如雙足機(jī)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(duì)其進(jìn)行控制研究具有重大的實(shí)際意義。需要指出的是，倒立擺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制設(shè)計(jì)流程與現(xiàn)代控制理論課程知識(shí)點(diǎn)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(shí)點(diǎn)分散到倒立擺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制設(shè)計(jì)的流程中，從而搭建理論知識(shí)與工程實(shí)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(jì)，本文采用深圳某科技有限公司開發(fā)的便攜式倒立擺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其便攜性打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備地域限制，學(xué)生可以利用自己的筆記本計(jì)算機(jī)隨時(shí)隨地在該平臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)的控制算法進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)踐教學(xué)表明，因?yàn)閷?shí)際對(duì)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(qiáng)。

2 課程改革實(shí)施方案

根據(jù)學(xué)校對(duì)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(shí)，其中理論課40學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)課8學(xué)時(shí)?？紤]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(duì)授課內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，略去煩瑣的數(shù)學(xué)證明，強(qiáng)調(diào)對(duì)定理結(jié)果的理解及應(yīng)用;同時(shí)加強(qiáng)MATLAB仿真軟件在課程中的應(yīng)用，相應(yīng)地增加大量的上機(jī)作業(yè)，并以此引導(dǎo)學(xué)生從以往的“學(xué)知識(shí)”向“用知識(shí)”轉(zhuǎn)變，強(qiáng)化學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，高度切合目前我國(guó)高等教育對(duì)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(jì)流程分散到課程各核心知識(shí)點(diǎn)的講解中，將晦澀抽象的知識(shí)概念落到實(shí)處。具體對(duì)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(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行改革。教材第一章“動(dòng)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(dá)式。這是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的第一步，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制算法設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)是完全地描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀況的信息，系統(tǒng)在某一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀況可以用該時(shí)刻系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的一組信息表征，定義系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)信息的集合為狀態(tài)。

定義1是對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的講解，具有較強(qiáng)的數(shù)學(xué)性。其定義中“完全描述”“系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀況”等詞匯，由于過(guò)于抽象，無(wú)法和實(shí)際對(duì)象進(jìn)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(huì)采用一些工程實(shí)例來(lái)講解。但學(xué)生因?yàn)闆]有接觸過(guò)這些實(shí)例，導(dǎo)致在理解的時(shí)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(guò)程中引入便攜式倒立擺，如圖1所示。由于該實(shí)驗(yàn)設(shè)備的便攜性，可將該設(shè)備帶入課堂，現(xiàn)場(chǎng)演示控制系統(tǒng)的運(yùn)行，讓學(xué)生近距離熟悉認(rèn)知該設(shè)備，并對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行宏觀分析，從而引出可表征系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀況的物理量（位置、速度、角度、角速度）。通過(guò)授課教師課堂提問引導(dǎo)，讓學(xué)生主動(dòng)思考系統(tǒng)狀態(tài)中“完全描述”的現(xiàn)實(shí)含義，加深學(xué)生對(duì)晦澀知識(shí)概念的理念，也為后期實(shí)現(xiàn)倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供保障。

3 結(jié)語(yǔ)

為進(jìn)一步切合學(xué)校對(duì)工程教育認(rèn)證的發(fā)展規(guī)劃，本文針對(duì)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(qiáng)化了學(xué)生對(duì)課程知識(shí)綜合運(yùn)用能力的培養(yǎng)，通過(guò)便攜式倒立擺建立課本知識(shí)與工程實(shí)際間的聯(lián)系，積極引導(dǎo)學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)向主動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，教學(xué)質(zhì)量得到有效提升。

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