PDF《“现代控制理论”课程教学改革的思考与探索》

59 课程教材改革 总第269期 现代控制理论 为电类专业硕士研究生的学位课程, 也是 自动控制原理 的后续课程.

该课程包括系统状态空间模型的 建立与求解、 系统的能控性/能观性/稳定性的分析、 状态反馈和 状态观测器的设计、 最优控制器的设计等内容. 本课程具有跨 学科、 概念抽象、 公式多、 数学推导烦琐、 难以理解等特点. [1] 为 了促进学生对课程内容的学习, 培养学生掌握知识和运用理论 指导实践的能力, 提高学生综合素质和创新能力, 本文探索了新 的教学模式, 对本课程的教学大纲、 教学内容和上机实验等进 行了一系列改革, [2-6] 取得了良好的教学效果.

一、 现代控制理论 教学中存在的问题 1.重理论轻工程 现代控制理论 的主要特点是概念抽象、 内容丰富、 理论 性强, 涉及的数学知识较多, 学生要正确理解课程中大量公式的 内涵比较困难. 大量的数学推理及矩阵运算, 使学生一定程度 上学习了空泛理论而忽略了该课程的工程性, 但不清楚这门课 到底是数学课, 还是一门工程学科. 2.课程作用不明确 学生难以区分本课程与 自控原理 的区别, 认为很多控制 的问题可以通过经典的自动控制理论解决, 弄不清楚这门课程 的作用以及为何要开设该门课程, 更不知学习本课程的意义与 日后研究方向的联系. 3.内容抽象难懂 由于本课程概念抽象, 是将实际问题抽象为数学模型, 根 据数学公式的推导去研究实际系统, 所运用数学知识较深, 学 生在学习过程中常常感到深奥晦涩, 抽象难懂, 不易掌握. 4.内容多 , 学时少 本课程所涉及的内容比较广泛, 且概念抽象难掌握, 而课 程的学时数34~60学时, 学时数较少. 在有限的教学课时内, 若 教学内容安排不合理, 很难达到有效的教学效果. 5.实验教学与实际脱节 现代控制理论 课程目前的实验大多是基于Matlab的仿 真. 通过Matlab软件仿真加深学生对本课程的理解, 但是它对 利用本课程的原理去解决工程实际问题的用途并不大. 目前的 实验条件和实验内容比较缺乏, 使得实验仅仅成为课堂内容的 巩固延续仍然局限在数学理论阶段, 很难跟实际问题结合起 来, 从而限制了实验作用的发挥. 6.学习兴趣不高 过多的数学内容、 较少的实际问题使得这门课程显得过于 沉闷, 学习内容枯燥无味、 难懂、 学不进去, 学生难以感兴趣. 为了解决上述问题, 提高教学质量, 必须对本课程进行改 革, 探索新的教学模式.

二、 教学内容的改革 1.选择教材 教材内容应该由浅到深, 通俗易懂, 同时思路清晰, 概念 清楚.教材还应具备适应性、新颖性、实践性等特征, 便于 教师讲述和学生自学, 在教师讲述和学生学习理解间架设桥 梁, 并在处理实际工程问题时也能成为参考用书. 为此,本 文选择了华中科技大学出版社出版的《现代控制理论》作为 教学的主要教材. 该教材在内容编排上突出了现代控制理论 的物理概念及工程背景, 并且每章最后一节均有Matlab仿真 内容. 2.优化教学内容 在内容的选择上不需要包罗万象、 面面俱到, 而是要抓住 最核心、 最基本的概念、 原理及其相互联系, 把重点放在分析 线性定常系统以及稳定性分析上, 而对线性时变系统以及非线 性系统的分析只需略讲或让学生自学. 教学过程中, 在保证内 容系统性的和严谨性的前提下, 着重于解释证明过程和思路, 增加实际物理系统的实例, 不必过分追求数学证明定理的严密 性. 要求学生准确理解基本概念、 基本原理的本质, 避免学生 死记硬背和生搬硬套. 3.注重教学内容的工程背景及实际应用 在教学过程中, 在讲完理论之后, 还要理论联系实际, 利用 理论去解决工程实际问题. 倒立摆是自动控制学科的教学实验 设备, 常被用来检验各种控制策略的有效性, 许多抽象的控制 概念都可通过对倒立摆的控制直观地表现出来. 将倒立摆作为 本课程学习中理想的实验平台, 将这个复杂的多变量、 非线性、 不稳定系统的控制手段作为例子, 在各章中深化, 贯串于整个教 学过程中. DOI编码: 10.3969/j.issn.1007-0079.2013.10.030 现代控制理论 课程教学改革的思考与探索 程启明 薛阳贾再一 米阳王莉摘要: 为了进一步提高 现代控制理论 课程的教学水平, 全面提高课程的教学质量, 培养学生掌握理论知识和运用知识指导实践的能 力, 讨论了目前本课程教学中存在的问题, 针对该课程理论性较强的特点结合教学过程中的实际体会, 在教学内容、 教学方法和实验教学等 方面做了 一些改革措施, 取得了良好的教学效果. 关键词: 现代控制理论;

实验教学;

研究型学习 作者简介: 程启明 (1965- ) , 男, 江苏盐城人, 上海电力学院自动化工程学院, 教授;

薛阳 (1976- ) , 男, 江苏无锡人, 上海电力学院自动 化工程学院, 副教授. (上海 200090) 基金项目: 本文系上海高等教育

085 工程建设项目、 上海市教委重点课程建设项目、 上海市教委重点学科建设项目 ( 项目编号: J51301) 的研究成果. 中图分类号: G642 文献标识码: A 文章编号: 1007-0079(2013) 10-0059-02

60 2013年第10期4.增强实验与实际工程的联系 针对目前本课程的实验内容偏向软件仿真而与实际工程问 题的结合较弱的特点, 在实验的选取上, 应选择能与实际工程 问题相关的内容, 从而更好地锻炼学生运用所学习理论知识来 指导实际的能力. 例如, 在教学过程中要求学生设计一个锅炉 温度控制系统, 由学生自己建立数学模型, 分析其运动特性, 判 断其可控性、 可观性及稳定性, 继而设计合适的控制器, 最后 通过软件仿真及单片机系统来设计整个系统, 并验证、 分析系 统的控制效果. 这类实验能给学生一个理论联系实际的学习过 程, 让学生在解决实际工程问题过程中领悟学习方法. 5.介绍新知识并跟踪新技术 在教授书本知识之外, 增加少量现代控制理论学科发展的前 沿动态, 使学生更加深入地了解该学科的思想体系和研究现状, 从 而开阔视野和拓展思路, 为进一步的学习、 研究打下良好的基础. 6.重视绪论内容教学 在绪论中简要介绍现代控制理论的研究内容和方法、 学科 发展历程以及其在工业生产领域的应用. 课堂教学中增加一些 影音视频资料, 比如月球车软着陆、 导弹拦截、 机器人大赛、 载 人航天飞行等, 并简要说明现代控制理论在这些系统中的应用之 处, 使学生认识到该课程应用价值, 激发学生对该课程的兴趣. 7.补充必要的数学基础 教师应适当地给学生补习相关的线性代数、复变函数、 差分方程和微分方程等方面的数学知识, 帮助学生跨过 数学 关 , 特别是前期没有学过但本课程又用到的数学知识. 比如课 程中用到的约当标准型矩阵, 矩阵指数函数以及最优控制部分 所需的变分法等.

三、 教学方法的改革 1.采用启发式、 比较式教学方法 将抽象概念从物理系统或常见工程实际中引出, 通过向学 生提出问题的方式来鼓励学生积极思考, 提出各自的看法和设 想, 最后由教师加以总结提高. 这样可以很好地激发学生的学 习兴趣, 加深对知识的理解, 有利于培养学生思维和创新能力. 另外, 本课程各知识点是相互联系的, 教师应引导学生对不同 的知识模块进行比较和分析, 找出异同. 例如, 经典控制理论与 现代控制理论的对比、 能控性与能观性的对比、 状态反馈与输出 反馈的对比. 通过对比教学, 帮助学生把孤立的、 零散的知识串 联起来, 掌握知识的内在规律性. 2.加强师生交流 教师可以通过师生之间交流了解学生对课程内容的疑问和 教学方式的意见, 从而了解学生喜欢什么的教学方式, 掌握了 哪些知识, 在哪些地方还有疑问. 然后以学生的反馈信息为抓 手, 重新调整教学内容和方式, 从而改善教学效果. 而交流的手 段可分为课堂上的提问和课下交流. 部分学生在课堂上比较拘 束, 他们往往更愿意在课下发表自己的看法, 教师可利用课下时 间与学生在轻松的氛围下进行交流, 了解他们的意见, 解答学生 的疑惑;

可以创建QQ群或者讨论组, 通过这些方式来增进师生 之间的了解, 改善教学效果. 3.采用多媒体课件 在课堂教学中, 采用多媒体CAI教学、 电子教案, 借助生 动、 形象的图像和动画, 教师边操作边讲解, 进行交互式教学, 将虚拟的教学概念变成易于实现的形式, 增加教学的信息量, 有 助于教学内容的理解和掌握, 调动学生学习的积极性. 4.开发课程教学网站 为了方便学生的学习, 可构筑了课程网站, 提供一个学习并 应用现代控制理论的思想、 概念和方法的平台. 该网络平台应 包括新闻中心、 课程资源、 教师队伍、 学习园地、 在线交流、 课 程建设、 实验平台、 学生作品等栏目. 网上教学具有不受空间与 时间的限制的特点, 因此极大地丰富了学生的学习方式, 还可实 现师生在线讨论和交流, 进一步巩固学过的内容. 5.融入Matlab语言仿真教学内容 为了解决运算多、 运算难的问题, Matlab语言进行现代控制 理论的计算与仿真方便直观, 在授课中可融入Matlab仿真教学 内容, 并在每章都专列一节Matlab仿真内容, 将现代控制理论和 Matlab语言的教学有机地结合起来, 这样能够便于学生理解, 将抽象的理论直观化. 适当给学生布置一些跟现代控制理论相 关的Matlab习题作业, 通过这种方式提高学生的学习兴趣, 培养 学生设计实际控制系统和应用计算机辅助分析的能力. 6.提高学生的学习兴趣 本课程的公式多、 理论性强, 学生不易感兴趣, 因此, 教师 需要提高自身的理论水平、 拓宽自身的知识面, 教学过程中注重 现代控制理论的工程背景, 注意把握课堂节奏, 简化理论公式 推导, 在理论讲解的同时联系工程实际, 突出基本概念、 性质的 工程含义, 提高学生的学习兴趣. 7.开展研究型学习 开展研究型学习旨在引导学生掌握基本的科学研究方法, 培养学生的创新能力和综合应用能力. 选定一些典型的现代控 制理论系统 (如双容水箱系统、 倒立摆系统、 自平衡小车、 球杆 系统等)作为让学生研究型学习的课题, 让学生组成研究小组, 在规定的时间内, 完成被控对象的建模、 性能分析和控制器设 计, 并进行Matlab仿真分析. 最后, 学生撰写研究报告, 并进行口 头汇报, 师生共同打分评价.

四、 实验教学的改革 1.采用倒立摆硬件平台实验 目前本课程的实验一般在直线或旋转倒立摆硬件实验平台 上进行. 虽然在倒立摆实验平台可做一些复杂的设计和实验, 但倒立摆实验平台数量有限, 不能满足大批量学生开展实验需 求, 一般都采用分组或预约方式进行实验, 学生在实........