应用型大学现代控制理论教学方式探讨

贺跃帮+王天雷

摘 要 针对现代控制理论课程的特点以及应用型大学要求，本文针对课堂教学、实验教学以及考核方式等方面讨论了现代控制理论教学的一些方法，提出了一些见解，并将上述方法应用到实际教学工作中，取得了较好的教学效果。

关键词 现代控制 教学方法 实践教学

中图分类号：G642 文献标识码：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現代控制课程特点及现状分析

现代控制理论这门课程是高等工科院校自动化专业的一门重要的专业核心课程。[1，2]它以高等数学，线性代数，复变函数，自动控制原理为基础，理论性强，内容丰富，概念抽象，数学推理与矩阵运算多，导致学生要掌握难度很大。长期以来，该课仅有以教师为中心的课堂教学模式，没有实践教学环节，导致学生难以应用。尽管如此，近几年，随着各种大学生科技竞赛（如“恩智浦杯”智能汽车竞赛，电子设计大赛，机器人大赛）受到应用型大学的重视与参与，也随着我国产业升级，机器人在各行各业开始大量出现，现代控制理论知识的掌握与应用已越来越重要。

作为培养创新创业应用型人才的五邑大学，近几年已开始在教学大纲设计上侧重大学生工程应用能力的培养，如增加实训环节。同时也鼓励各学院进行教学改革，成立各种综合实验班。与此同时，理论教学课时受到挤压，导致目前现代控制理论课程教学越发难以实现教学目标。

基于以上情况，结合笔者这些年实际教学经验与体会，以及我校自动化专业在校学生的实际情况，本文针对课堂教学、实践教学和考核方式等方面改革做一些相关探讨。

2 课堂教学的改革

2.1 变革课程教学方式

传统的教学方式多数为以教师为中心的填鸭式教学。面对现代控制理论这种涉及到繁琐的数学推导，较多抽象的概念，这种方式极易使学生产生恐惧心理和厌学情绪，也不能有效提高学生的创新性思维和实际应用能力。而应用型大学教学强调“应用型”教学，在教学中增加更多的实际案例环节和互动环节，积极引导学生自觉深入挖掘有用知识，强调学生自主学习与应用能力培养。[3]教师在现代控制理论教学中应将应用型与传统型教学方式合理结合，既侧重基础知识讲授，同时也要引导学生置身案例背景和角色中，积极思考、勤于应用，为以后成为应用型工程师打下坚实理论基础。

2.2 充分利用网络资源

在网络越来越发达的今天，应充分利用网络资源，激发学生自觉探求现代控制理论知识，挖掘应用方法和途径。一方面鼓励学生通过网络（如斯坦福网络公开课程，国内精品课程等）学习现代控制理论知识；另一方面，教师需要与时俱进，及时关注学生兴趣热点，充分利用网络资源，合理更新教学案例。近年来，笔者根据学生的兴趣，依赖网络资源，编制了倒立摆，单球滚动机器人，模型车，四旋翼无人机的教学案例，获得了较好的教学效果。

2.3 在现代控制理论课程教学中引入MATLAB软件

现代控制理论课程内容复杂抽象，要求基础高，为在最短时间内，将现代控制理论基本知识和应用案例立体化呈现给学生，笔者在课堂教学中引入MATLAB。MATLAB软件是一款编程语言简单，功能强大，能实现现代控制理论课程所需要的所有数学计算，是课堂快速实现案例建模，仿真，并呈现效果的少有几款软件之一。[4]

在课堂上，教师可以使用MATLAB软件，根据教学进度，依赖案例建模并编程，多角度仿真，可视化呈现各种理论应用效果。学生在课堂上不仅能看到现代控制理论知识应用于实际的仿真过程，还能看到整个参数调试过程，再加上教师的详细讲解，这非常有利于提高学生的学习兴趣，引导学生关注问题的重点，也为课后学生实践提供了指导意义。教学实践表明，MATLAB的应用，不仅能有效解决现代控制理论教学中理论知识讲解和实际应用脱节的问题，还能增强教学的生动性，提高教学效率。

3 实践教学内容的改革

现代控制理论课程实践性和应用性很强，对学生的综合素质要求高，因此教学上不仅要精心设计教学内容，培养学生具备扎实的理论基础，还要注重实践教学，精心设计实验内容，培养学生动手能力和应用能力。

3.1 合理安排实验内容

实验是培养学生动手能力，分析问题解决问题能力的重要环节。在保证实验教学课时的基础上，适当加大设计性、综合性实验的比重，以培养学生综合解决实际问题的能力，尤其是适当提高教学案例在实验中的比例，可达到实验与教学互动，提高学生的学习兴趣和教学效率。另外，教师可将实验指导书及实验任务提前布置给学生，让学生利用MATLAB仿真软件在计算机上提前仿真，仿真成功后再到实验室进行硬件验证。这样做可以节省实验时间，同时也能让学生掌握仿真软件的使用。

3.2 加强课程设计环节，提高系统设计能力

课程设计是将所学理论知识与实践结合的重要环节，是教学计划中综合性较强的实践教学环节。现代理论控制由于涉及的基础较多，一到两周时间内，完全由学生独立自主实现的可能性不高。因此，课程设计需依托学校实训基地或相关科技竞赛（已有相关硬件平台）设计题目，以学生为主体，3-5人一组分工，先查找资料，建立控制对象模型，然后利用MATLAB仿真确定控制设计方案，并仿真调试。仿真调试成功后，再利用实训基地平台，进入实际系统软件开发流程，最终做出实物。通过整个控制设计流程的训练，学生基本可以掌握控制系统开发流程，为毕业后走上相关工作岗位打下基础。

3.3 引导学生参加科技竞赛

将现代控制理论知识应用于各类科技竞赛中，有利于提高竞赛作品的理论深度和可观赏性，增加获奖机会。实践证明，通过组织一些基础扎实、学习兴趣浓厚、创新能力较强的学生参加校级、省级、国家级各类科技竞赛，有利于调动学生的学习积极性，激励学生更深入地钻研现代控制理论相关知识。目前，我校成立了创新实验室，组织了一批指导老师，吸引了一大批创新能力强的学生，设计了倒立摆、单球滚动机器人，模型车，四旋翼无人机、多足机器人、羽毛球自动捡球机等各种自主控制系统，并在多个电子设计大赛，挑战杯，机器人大赛等各类科技竞赛均获得不错的成绩，这些对教学工作产生了积极的影响。

3.4 完善考核方式

目前，现代控制理论课程考核是由平时成绩、期末成绩两部分组成。平时成绩包含出勤、课堂表现以及课后作业；期末成绩采用闭卷形式，考核相关基本概念和理论知识。这种考试形式过于侧重学生对理论知识的了解和掌握，容易使学生误以为学习现代控制理论只需死记硬背知识原理即可，因而难以全面准确地反映学生分析与解决问题的能力。改革后的课程考核结合平时成绩、期末成绩、实验成绩以及开放性自主设计成绩四部分组成。期末考核改闭卷考试为开卷考试，强调学生对知识的灵活应用能力，而不是对知识点的记忆。实验考核借助实训设备，来加强学生动手实践能力培养。开放性自主设计可分两类，一类为一些小作品设计或仿真，在总评成绩不超过100分的情况下，可适当加分；一类为难度较大，涉及现代控制理论知识面较多的作品设计，该作品完成并撰写书面报告可代替期末考试。

3.5 极点配置课堂教学举例

由刘豹，唐万生主编的“现代控制理论”的第5章极点配置课堂教学中，[5]传统教学着重在理论上证明能控性是采用状态反馈任意极点配置的充要条件，能观性是采用输出到的线性反馈实现任意极点配置的充要条件。在状态反馈极点配置控制器设计和观测器设计过程中，虽然能够强调控制系统的性能主要取决于系统闭环极点在根平面上的分布，但在应用举例中，一般强调设计过程和步骤，对于极点的设计，往往只是随意取一组具有负实部的极点，保证闭环系统的稳定性。这种教学方式对于理论教学是可以的，但作为应用型大学教学，需要强调在实际中的应用。教学过程中可以设计案例，以MATLAB仿真课堂教学和实验或课程设计，来检验极点配置方法在实际应用中是否真的可以被任意配置。

笔者近年来设计的四旋翼无人机控制为多输入多输出系统，具有干扰大，控制难的特点，非常适合被用于检验极点配置控制器设计和观测器设计的效果，学生从中也可以认识到为什么在实际中不能任意配置极点，如建模不准确，测量干扰大等原因都使得无法任意配置极点。课堂上也可以将实际数据结合MATLAB仿真来直观地显示极点配置控制器或观测器的设计效果。图1-2即是四旋翼无人机高度信息测量与极点配置观测器设计后高度和速度估计MATLAB仿真结果。从中可以看出，观测器设计不仅将速度估计出来，而且高度估计结果相对测量具有去除高频干扰的效果，即具有滤波效果。课堂上，教师还可以现场调整配置的极点来观测不同的结果，从而更直观地让学生體会配置的极点和观测的结果的关系，也就能理解为什么不能任意配置极点的原因。实际教学应用中，学生反映积极，教学效果得到极大提高。

4 结语

作为应用型大学，针对现代控制理论教学中课堂教学、实验教学和考核方式等方面，我系控制理论课题组的老师在近几年进行了一系列的努力与探索。从教学效果看，这些方面的改革激发了学生学习的兴趣，提高了学生实践和综合应用能力，改善了教学质量。当然，在探索实践过程中，也遇到了很多新问题，这就要求我们教师还需要在教学实践中不断总结、改进和完善，为持续提高教学质量贡献力量。

基金项目：广东高校优秀青年创新人才培养计划项目（2014KQNCX157），五邑大学2015年青年科研基金项目（2015zk12）

参考文献

[1] 陈峰.CDIO模式下《现代控制理论》课程教学改革的探讨[J].成都：实验科学与技术，2012（10）.

[2] 姜顺，张相胜，潘丰.《现代控制》课程教学改革的思考与探索[J].石家庄：教育教学论坛，2015 （41）.

[3] 王华荣.以案例教学推动大学课堂教学模式改革的实践与探索[J].中国大学教育，2011（4）.

[4] 王燕平.控制系统仿真与CAD[M].北京：机械工业出版社，2011.

[5] 刘豹，唐万生.现代控制理论[M].北京：机械工业出版社，2006.7.