“現代控制理論”課程教學改革研究與探索

楊春雨，孫曉燕，陳 穎，周林娜

(中國礦業大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州221116)

現代控制理論以狀態空間法為基礎，不僅可以解決線性定常系統的控制問題，還可以處理多輸入多輸出、時變和非線性系統的控制問題，不僅可以應用于實際工程系統，還適用于一些社會系統[1]。因此，“現代控制理論”課程是自動化專業最重要的專業基礎課之一。該課程有大量的理論推導，需要學生具有較強的專業背景理解能力和扎實的數學基礎。本文通過分析“現代控制理論”課程的教學現狀，針對影響教學效果的問題提出了一些改革措施。

1 “現代控制理論”課程教學現狀

1)教學內容理論多，案例和前沿技術少

現代控制理論是20世紀50-70年代發展起來的。它與經典控制理論相比，引入了不少新知識，涉及較多的理論推導。例如:狀態空間模型能夠充分反映控制系統內部運行狀態，可以描述時變系統和非線性系統等復雜系統。許多不同的工程實際問題可以抽象為相同的狀態空間模型，利用模型對系統進行分析和設計。狀態空間模型是一階微分方程組，所以系統能控性、能觀性和穩定性的分析，以及極點配置、狀態觀測器設計和最優控制問題最終都歸結為微分方程、線性代數、變分法和動態規劃等數學問題。但是，很多學生的數學基礎不扎實，部分課程沒有學過，任課教師授課過程中需要為他們補充部分數學知識，導致課時非常緊張，沒有充足的課時講解工程案例，如新興的前沿技術[2]。這就造成了本課程理論多，案例和前沿技術少的教學現狀。

2)教學模式單調，師生互動少

目前“現代控制理論”的課堂教學的課件和板書往往都充斥著抽象的概念和復雜的數學推理，這對于課程多、活動多，很少進行課前預習和課后復習的學生而言，會漸漸地失去學習興趣。另外，該課程的課后作業基本都是教材中的習題，根據系統的抽象的數學模型，利用所學知識對系統進行分析或設計，無法體現控制系統的實際背景，做作業的過程就像數學課的練習一樣，很難激起學生的熱情和興趣，甚至相互抄襲，任課教師無法從作業中了解學生真實的學習情況。

3)考核重視結果，輕視教學過程

目前該課程的考核主要以期末考試為主，輔以平時成績和實驗成績。但是，以理論考試為主的考核方式導致學生在考前突擊復習，這樣即使考試合格，也難以真正掌握現代控制理論的思想精髓。

2 教學改革措施

1)調整教學內容，把前沿課題引入課堂

我們針對本課程理論知識多，工程背景少的問題，在授課過程中，適當簡化繁瑣的數學推理，理論聯系實際，授課以倒立擺、直流電機為實例，利用狀態空間法進行建模，分析系統的能控性、能觀性和穩定性，并進行極點配置和觀測器設計。這樣能夠激發學生的學習興趣，幫助學生深入理解現代控制理論知識。同時，把本領域的前沿課題引入課堂。目前隨著通信科學的發展，控制與通訊交叉成為研究熱點，網絡控制、多智能體協調控制等課題得到關注，我們從網上下載相關視頻資料供學生參考，讓學生了解現代控制理論研究領域的前沿成果和技術。

2)設計虛擬實驗裝置，豐富課堂教學方式

我們為解決教學模式單一的問題，設計了一個虛擬倒立擺實驗系統，用于課堂演示。利用Pro/ENGINEER建立倒立擺的三維虛擬現實模型，借助于Matlab虛擬現實工具箱把倒立擺虛擬現實模型和Simulink仿真模型關聯起來，實現虛擬場景和Simulink模型的聯合仿真。在課堂上利用虛擬倒立擺實驗系統演示，學生可以同時觀察倒立擺的運行情況和控制系統各個狀態的仿真曲線，能夠深化對理論知識的理解，激發學習興趣。

3)減少課后作業，開展課外實踐

為了解決“現代控制理論”課程課后的作業問題，我們對原來的理論習題進行整理和提煉。例如關于能控性判據的作業，以前至少要5-8道習題才能讓學生掌握各種判別方式，經過我們教學小組的提煉和加工，用2道作業題就能取得良好的練習效果。用節省下來的時間開展課外實踐活動。

我們的做法是把5-6名學生分成1組。教師根據自己的經驗和學生的情況給出一些備選課題，例如倒立擺控制、直流電機控制和四旋翼飛機控制等。組長負責組織組員選擇題目，也可以根據個人興趣自主選題，利用所學的理論知識對系統進行分析和設計，并開展仿真和實驗研究。

4)建立課程交流網站，加強交流

我們針對任課教師與學生互動少，交流不順暢等問題，建立了專題交流網站。網站前端主要使用HTML和CSS實現，能夠兼容各大主流瀏覽器，為了提高網站交互效果，使用Java script語言豐富網站的內容，讓學生能夠在學習中獲得快樂。作為網站前端與數據庫的紐帶。網站的后端主要由PHP實現，作為一種開源的編程語言，PHP能夠安全高效的實現各種功能。網站使用體積小、速度快的開源數據庫MySQL作為網站的數據庫，主要存儲學生的各類信息如學生積分、討論內容以及共享資源等。網站主要功能模塊包括資料共享模塊、課程研討模塊和學生積分模塊等。在資料共享模塊，把課堂上不詳細解釋的理論證明內容和其他參考資料上傳，例如，時變系統的能控能觀性在課堂上不講，我們把相關內容上傳到網上，供感興趣的學生深入學習。另外也上傳一些“現代控制理論”講課視頻和應用案例，供大家交流和學習。學生如果有問題或者對本課程有建議，可以在課程研討模塊上相互討論，與教師交流。學生積分模塊是為了記錄學生的參與情況，鼓勵學生積極參與，同時為期末考核提供依據。

5)增加過程考核比重，減少理論考試比重

“現代控制理論”課程傳統的考核方式是只注重期末理論考試，很難全面體現學生對課程的掌握情況和平時表現，因此，采用降低理論考試所占的比重，提高平時出勤、作業以及實踐活動考核所占的比重，面向授課過程的考核方式比較科學[3]。比較可行的比例是理論考試占總成績45-55%，實踐活動占20-30%，考勤占5%，作業占5%，實驗占15-20%。這樣能夠有效抑制考前突擊現象。

3 結語

本文針對“現代控制理論”課程教學中存在的問題，提出一系列改革措施。實踐表明:學生對于工程案例和前沿技術非常感興趣，樂于通過課外實踐活動鍛煉自己;師生互動更加頻繁，課堂氛圍更加活躍;新的考核方式有效地抑制了考前突擊現象，顯著提高了教學效果。應該指出的是，上述措施還有一些不完善之處，例如實踐活動中每個小組有5-6個人，科學地對每個人進行考評是一個需要進一步研究的問題。

[1]許世范，陳穎，侯媛彬.現代控制理論簡明教程[M].徐州:中國礦業大學出版社，2009.

[2]賈鶴鳴，宋文龍，戴天虹.“現代控制理論”課程教學中實施創新教育的探討[J].北京:中國電力教育，2014，10(9):71-72.

[3]鞏敦衛，張勇，孫曉燕.“智能控制技術”課程全方位多層次考評方法[J].南京:電氣電子教學學報，2014，36(1):52-53.