网络控制系统教学中研究生的创新能力培养

王玉龙,戚爱春

摘要:网络控制系统是目前自动控制领域的热点研究问题之一,在进行网络控制系统教学过程中需注重培养研究生的创新意识和创新能力。结合网络控制系统教学实践,以事件驱动的传感器采样模式为例,详细介绍了在网络控制系统分析与建模的每个环节如何促进研究生开展自主思考,自主创新,所得结果对于研究生创新能力的培养具有一定借鉴意义。

关键词:网络控制系统;事件驱动;创新;教学

中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)34-9758-02

Innovation Ability Cultivation of Postgraduates in Networked Control Systems Teaching

WANG Yu-long, QI Ai-chun

(School of Electronics and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

Abstract: The research on networked control systems is one of the hot topics in automatic control, and much attention should be paid to the cultivation of innovation consciousness and innovation ability of postgraduates in networked control systems teaching. Combining the teaching of networked control systems and taking the Event-Driven sensor sampling mode for example, this paper studies how to promote independent thinking and independent innovation of postgraduates in every step of networked control systems analysis and modeling, the obtained results are significative for the innovation ability cultivation of postgraduates.

Key words: networked control systems; event-driven; innovation; teaching

随着计算机网络的广泛应用和网络技术的不断发展,传统的控制系统正在发生着深刻的变化。使用计算机网络代替传统控制系统中的点对点结构,实现传感器、控制器与执行器之间的互联,具有重要的应用价值。通过网络连接传感器、控制器与执行器而形成的闭环系统称为网络控制系统(Networked Control Systems,简写为NCSs)[1]。

与传统的点对点结构的控制系统相比,网络控制系统具有可以实现资源共享,具有较高的容错与故障诊断能力,安装与维护简单,能有效减少系统的体积、增加系统的灵活性和可靠性等优点。网络控制系统的提出,具有很强的工程背景,这种来自实际工程问题和军事问题的促进,使得网络控制系统的研究正成为目前国际学术界的研究热点。

但是,国内外学者对于网络控制系统的研究目前处于起步阶段,很多研究成果还不够完善,而且国内外关于网络控制系统方面的教材还不是太多。以上问题对于网络控制系统的教学提出了新的挑战:一方面,网络控制系统具有很强的工程背景,我们需要指导研究生开展相关问题的研究,以便培养研究生的创新意识和创新能力,同时提高我们国家在网络控制系统方面的研究水平;另一方面,现有教材内容不够完善,且教师在网络控制系统教学方面的经验不足,这为培养研究生的创新能力提出了新的挑战。

本文结合网络控制系统的特点,研究在实际教学中如何培养研究生发现问题、分析问题及解决问题的能力,提高研究生的创新意识和创新能力,所得到的结果对于网络控制系统教学研究工作具有一定借鉴意义。

1 培养研究生的创新能力

从自主创新角度,文献[2]将创新分为三种:一是原始创新,即从源头研究问题的产生背景,并寻找自然界的基本规律;二是集成创新,即从当今众多技术中,概括提炼出新理论、新方法和新仪器;三是消化吸收再创新,即结合目前的科学难题以及解答这些难题经常使用的方法,进行跟踪到模仿再到创新。研究生创新意识与能力的培养不是一蹴而就的,而是一个循序渐进的过程,需要整合教师,学校及整个社会的资源,提高研究生创新能力[3]。下面,结合本人体会,讨论如何培养创新意识与创新能力。

1.1 让学生了解创新的内涵

如上所述,创新可以分为原始创新、集成创新及消化吸收再创新。我们所说的创新,主要是发现新问题、新的自然现象,或者是对现有问题找到新的解决方法,与现有方法相比,这些新方法应该具有效果良好、简单易行等优点。下面以网络控制系统的事件驱动采样模式[4]为例说明如何使学生了解创新的涵义。

对网络控制系统而言,现有研究成果通常假定传感器为时钟驱动,而执行器为事件驱动,这种驱动模式既可以保证系统建模的简单性,同时又不会导致网络时延的额外增大。现有文献也指出,如果执行器采用时钟驱动,则即使控制输入到达执行器,执行器仍需等待一段时间再利用最近收到的控制输入,这无疑会增加网络时延,因此现有文献很少采取执行器时钟驱动的方法。我们注意到,现有文献并未考虑传感器为事件驱动的情况,如果可以使得传感器在某个事件发生时(事件驱动)开始采样,而不是等到固定的时刻点采样,则有可能改善系统性能。在课堂教学中,通过合理地分析现有研究结果的特点,则可能使学生发现新的问题。

1.2 激发研究兴趣,提供研究基础信息

高等学校的教学过程要体现其学术性[5],使研究生能够融入到教学过程中,只有这样,学生的研究兴趣才能得到充分激发。在整个教学过程中,学生是学习过程的主体,而教师则是学习过程的组织者,学生通过行动去体验研究课题,课堂气氛活跃,学生动手踊跃,兴趣浓厚。

激发研究兴趣的一个重要手段就是进行“对话式”教学[6],“对话式”教学不同于以讲解为主的教学,问答和讨论是其主要教学活动形式,教师的作用在于创设平等、自由的对话环境,引导学生思考与交流,并适时予以引导和启发。“对话式”教学的对话既包括教师与学生之间的对话,也包括学生与学生之间的对话,它在本质上是一种促使学生“在与情境对话中建构知识”的教学范式。

在教学过程中,要注重知行合一的价值取向、走向双主体关系和互动对话关系,提倡师生在教学过程中的双向交互,形成一种平等合作关系。教学活动要尽可能让学习者有更多的参与、自主和话语空间,使学习者拥有“对话的位置”,激活师生之间的对话关系,并激发学生的研究兴趣。

对于教学过程的具体实施,文献[7]提出应当适应教学对象,分层教学目标实施教学;精心设计教学大纲,合理安排教学内容;同时要结合不同教学方式,提高教学效果。文献[8]讨论了学习环境的理论基础。下面以事件驱动的采样模式为例说明如何实现对话式教学并激发学生的研究兴趣。

对网络控制系统而言,传感器事件驱动是一种新的采样模式,教师要引导学生考虑该采样模式的优缺点,系统建模及实现过程中会遇到哪些难题。对网络控制系统而言,采样周期越短,系统性能通常越好,而这反过来会增加网络负载,甚至引起网络拥塞,因此采样周期需尽可能的小但是又不可太小,合理地确定采样周期的长度是有十分积极意义的。

若以控制输入到达执行器的时刻为采样时刻,则为典型的事件驱动方式,但是,如果控制输入到达执行器立即进行采样的话,采样周期的长度是随机时变的,这为系统建模及性能分析带来困难。此时可引导学生考虑如何处理随机时变采样周期,若能使得随机时变采样周期在有限个数值间切换,则可很容易地进行系统建模。

若控制输入到达执行器,传感器则立即采样或等待一小段时间进行采样,若控制输入较长时间未到,也不可无限制地等待,而是等到一个预先约定的时刻进行采样,这样,可以使得随机时变采样周期在有限个数值间切换。

下面分析该采样模式的优缺点。若网络空闲,则控制输入可以在较短时间内到达执行器,一旦执行器收到控制输入,传感器或者立即采样或者等待一小段时间进行采样,由于采样周期较短,单位时间内有较多的控制输入可以传到受控对象,从而改善系统性能,同时该方法保证了网络资源的充分利用。若网络较忙,则控制输入需经过较长时间到达执行器,相应的采样周期也变长,这样网络上数据包的数目减少,从而减小了发生网络拥塞的可能性。这样,当传感器采用以上的采样模式时,既可以保证网络资源的充分利用,又可以减小发生网络拥塞的可能性。事实上,以上方法也有一定的缺点,若网络负载在一段时间内变化较大,采样周期的切换也比较频繁,而这会导致实际系统性能的下降。

教师在进行上述对话式教学过程中要注意适时地引导学生考虑现有问题存在的疑点,解决问题的可能方法以及可能会遇到的困难等。

1.3 综合多种手段,培养创新能力

在教学模式的构建和实施中,创新性学习以启发式教学思想为指导,以培养学习者创新能力、实践能力和学习能力为中心,以探索自主式、讨论式、研究式教学方法为突破口,构建以促进学习者发展为宗旨的多样化教学模式。创新性学习重视自主学习和个性化学习。

课堂教学活动存在教师、学生等主体因素,在学生创新能力培养的过程中,要做到“以学生为本”,该种培养理念的核心是学生始终是教学过程的本体,它主张“全面依靠学生”,坚持以学生为主体,充分调动学生的积极性、主动性和创造性。课堂教学活动既存在教师、学生等主体因素,也存在课程、教材等客体因素,在实际教学过程中,不但要以自主式、研究式教学方法为突破口,同时也要合理设计课程结构及教学内容,实现主、客体因素的有效结合。

至此,我们已经完整的阐述了传感器采用事件驱动的采样模式的问题来源,采样周期的确定,该采样模式的优缺点。由于现有文献未研究过类似问题,这就需要教师在教学过程中充分发挥学生的积极主动性,引导他们积极融入到整个问题中,分析解决问题的每个环节中可能存在的问题以及如何改进自己思考问题的方式,从而逐步的培养创新意识,同时在这个过程中逐步培养他们的创新能力。当然,研究生创新能力的培养是一个循序渐进的过程,教师需要积极的引导学生进行创造性思维,学生要积极主动地融入到问题中去,而高等学校和社会也需要提供一定的外部环境,这样才可以促进研究生创新能力的培养。

2 结论

研究生创新能力的培养是整个研究生教育的核心,是国家创新体系中的重要组成部分。在研究生创新能力的培养过程中,需要积极地培养研究的创新意识,教师要努力实施对话式教学,使得学生积极主动地参与到教学环节的每一过程中去,而学生也要在教师的指导下,融入到从问题提出到解决问题的每个环节中。同时,高等学校与社会也要进行积极合作,通过对社会资源的整合利用来解决研究生创新培养中的问题,真正提高研究生的创新能力。

参考文献:

[1] J. P. Hespanha, P. Naghshtabrizi, and Y. G. Xu. A survey of recent results in networked control systems[J]. Proc. of the IEEE, 2007,95(1):138-162.

[2] 张宇红.自主创新能力培养的教学内容设计[J]. 黑龙江高教研究,2006, (12): 160-161.

[3] 孙玲芳,李贺,陈思光. 整合社会资源,提高研究生创新能力[J]. 江苏科技大学学报(社会科学版),2008,8(2):99-101.

[4] Yu-Long Wang and Guang-Hong Yang. H∞ controller design for networked control systems via active varying sampling period method [J]. Acta Automatica Sinica, 2008, 34(7): 814-818.

[5] 时伟. 大学教学的学术性及其强化策略[J]. 高等教育研究,2007,28(5):71-75.

[6] 王菊,王晶.“对话式”教学与高校研究性教学的构建[J]. 辽宁教育研究,2007,(1):79-81.

[7] 李筠. 《数字信号处理》双语课程分层次教学的探讨[J]. 光学技术,2007, 33(Suppl):295-298.

[8] [美] D·乔纳森. 学习环境的理论基础[M]. 郑太年,任友群,等,译. 上海:华东师范大学出版社,2002:2.