基于便携式倒立摆平台的现代控制理论教学改革初探

潘俊涛++刘芳++张白++韦海成

摘 要 针对目前现代控制理论课程教学中存在的理论与实践相脱节，课程知识概念抽象、难以理解等问题，引入任务驱动法教学理念，将便携式倒立摆的建模、分析、设计及控制实现贯穿于整个课程教学中，从而激发学生主动学习热情。该教学方法具有较好的操作性，教学效果良好。

关键词 便携式倒立摆；现代控制理论；任务驱动法

中图分类号：G642.0 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）24-0018-03

Educational Reform for Modem Control Theory based on Por-table Inverted Pendulum//PAN Juntao， LIU Fang， ZHANG Bai， WEI Haicheng

Abstract This paper presents a teaching reform method in view of the existing problems among curriculum of modem control theory. With idea of task-driving， the modeling， analysis and control of por-

table inverted pendulum are introduced in the whole teaching process

which effectively inspiring students passion. The proposed method is workable which yields excellent teaching results.

Key words portable inverted pendulum； modem control theory； task-

driving

1 前言

自动控制技术是衡量一个国家现代化发展程度的重要指标之一。所谓自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（控制器），使机器、设备或生产过程（被控对象）的某个工作状态或参数（被控量）自动地按照预定的规律运行[1]。作为当前信息技术领域的重要内容之一，自动控制技术在现代科学技术的众多领域起着越来越重要的作用。时至今日，在生产、军事、管理、生活等各个领域，随处可见自动控制的身影。

随着国家现代化进程的不断深入，全社会对自动控制技术人才的需求量也日益增长。为此，全国各高校相继设立自动化专业，以期为社会培养具有一定工程素质，掌握自动化学科基本理论和应用技术的自动控制技术人才。同时，各高校根据自身的办学定位，制订诸多特色鲜明的自动化专业人才培养方案。需要指出的是，各高校自动化专业人才培养方案虽有一定的差别，但都会把现代控制理论课程作为其课程体系中不可或缺的核心内容[2-4]。

北方民族大学作为一所委属民族院校，根据旨在服务我国少数民族和民族地区经济社会发展的办学目的，培养优秀少数民族人才的办学定位，针对高年级自动化专业的学生开设了48课时的现代控制理论课程，其中理论课时数为40，实验课时数为8。该课程在教学要求上对高等数学、线性代数、大学物理等数理基础课程有较强的依赖，并且课程中的抽象概念繁多，加之民族院校学生基础薄弱，使得学生在学习过程中普遍感觉吃力。此外，课程实践课时数少，在一定程度上限制了对学生创新实践能力和工程素养能力的培养。因此，如何在国家高等教育改革的新形势下，高质量地完成现代控制理论课程的教学任务，并培养出具备一定工程素养的合格自动化专业技术人才，是摆在任课教师面前亟待解决的重要难题之一。

本文以北方民族大学自动化专业开设的现代控制理论课程为背景，针对当前课程教学过程中普遍存在的问题，在课程教学中引入便携式倒立摆实验平台，并在该平台下提出一种以任务驱动法[5]为核心思想的控制理论类课程教学改革方法，以改善现有现代控制理论课程的教学效果，在夯实自动控制理论知识基础的同时，进一步加强学生实践创新能力和工程素养的培养。

2 课程特點及教学现状分析

课程特点 现代控制理论是北方民族大学自动化专业人才培养方案中开设的一门重要的专业课程。该课程以状态空间为核心，培养学生分析和设计一般自动控制系统的能力。鉴于学校地处西部偏远地区，综合考虑区域性学科发展，民族院校人才培养、教育科研的特点，将现代控制理论的教学目标定为了解自动控制的基本原理，掌握多输入多输出控制系统的建模方法，具备一定运用基本数理知识和MATLAB辅助设计软件对控制系统进行分析与设计的能力。相比其他专业课程，该课程具有如下特点。

1）课程理论性强。控制理论类课程是一类理论性很强的专业课程。其主要目的是培养学生运用书本知识定性、定量分析与设计一般控制系统的基本能力。课程教学内容对高等数学、线性代数、大学物理、复变函数、电路原理、模拟电子基础、数字电路逻辑设计等基础课程有较强的依赖，这就要求学生在课程的学习过程中必须具备一定的数、理、电三方面的基本知识。

2）课程知识概念抽象。由于控制理论类课程是以数理知识为基础的，因此，课程所涉及的许多重要控制概念，如系统稳定性、能控性、能观性、鲁棒性等，都以数学形式给出，致使相当一部分学生在学习理解掌握课程内容上较为吃力。

课程教学现状分析

1）学生基础薄弱。作为一所民族院校，有相当一部分比例的学生来源于边疆少数民族地区和边远贫困地区，基础较弱。因此，在学习控制理论类课程的时候，学生很难对该课程涉及的数理基础知识及抽象的课程概念做到基本的掌握，从而一定程度上增加了学生对该课程学习的难度，学习积极性不高，学习兴趣降低。

2）重理论轻实践，理论教学和实践教学脱节。作为一所应用型本科院校，教学的指导思想是让学生在学完课程之后能够很快地将所学知识应用到实践中去。目前学校虽然对自动化专业的控制理论类课程配套了相关的实验学时，但由于学时数少，且实验内容也仅仅停留在对理论知识的简单验证。这样的实践环节往往不能取得良好的效果，也一定程度上影响了对整体课程理论知识的把握，无法充分利用有限的实践机会加深理解专业理论，从而使得理论教学和实践教学脱节。

综上所述，为了进一步改善控制理论类课程教学效果，培养具备一定工程素养的自动化技术人才，针对控制理论类课程教学内容、教学方法的改革探索势在必行。

3 课程教学改革

鉴于控制理论类课程特点及其教学现状，该门课程的教学不仅要夯实学生的理论基础，而且要培养学生的工程素养。倒立摆系统是一种从工程实际中抽象出来的控制模型，是一个绝对不稳定的控制系统，其高阶次、强耦合、多变量等特性，使得对它的控制极富有挑战性。目前，国内外的控制实验中心均普遍将其作为控制算法验证的实验平台。

有鉴于此，本文以“便携式倒立摆”为载体，围绕该平台，设置一系列“任务”，并将其穿插在控制理论类课程的教学过程中，探索基于任务驱动法的控制理论类课程改革新方法。

不同于传统倒立摆实验平台，便携式平台的便携性和易维护性打破了现有实验场地的空间约束，方便地将“实践”教学环节引入课堂，借此拉近理论与实践的距离，克服传统教学中重理论轻实践、知行分离的弊端。此外，其特有的USB通信方式，可使学生非常方便地利用自己的笔记本电脑将课堂知识应用于实际控制设备，无形中开放了“实验室”。如此，课程实践教学环节不再受时间、场地的限制，且易于维护。这不仅最大程度上增大了实验设备的利用率，更建立了学生对理论性课程教学的兴趣，在“授之以魚”的过程中“授之以渔”。

受篇幅限制，本文以系统建模为例，围绕倒立摆系统，设置“建立便携式倒立摆系统数学模型”教学任务，并将该任务贯穿于课程“动态系统的状态空间描述”的教学中。

众所周知，系统建模是学习控制理论类课程的第一环节，也是分析和设计控制系统的前提条件。受学时限制，现有教学方法仅仅以简单电路系统或机械系统为例，在理想情况下说明数学建模的过程和方法。然而在工程实际中，建立一个系统的数学模型绝非易事，要经历一个复杂的过程。在国家推行“卓越工程师教育培养计划”的形势下，非常有必要让学生在课程学习过程中亲历这一建模过程。

首先让学生熟悉认识便携式倒立摆系统的结构及控制原理，然后运用“数、理、电”三方面的知识去分析对象的机理特性，并要求学生利用自身现有知识，并辅以相关文献资料，推导出系统数学模型的“雏形”。一般而言，推导出来的数学模型往往是非线性的，这使得学生无法利用课程知识去解决其控制问题。面对这样的问题，课程引入线性化的理论知识，此时学生需要建立理论知识与实际控制问题的联系，如寻找倒立摆系统的平衡点，如何在平衡点附近进行线性化，从而理解局部线性化、系统平衡点等知识概念。只有经历这样一个过程，学生才能抓住系统数学建模的本质及核心。

在线性模型的基础上引入系统状态空间描述的知识概念。依据往年教学经验，学生对“动态系统状态空间描述”中的“状态”的理解一直是现代控制理论课程教学的难点。在建立便携式倒立摆数学建模过程中，涉及的各个“状态”都是明确的物理量，学生对此抽象概念理解起来十分方便。此外，为进一步说明状态空间描述的不唯一性，要求学生围绕便携式倒立摆，选用不同的状态（或状态组合）建立其状态控制表达式，并以此模型，展开后续的课程学习。

同样的，在系统性能分析，控制器设计、MATLAB仿真设计等部分的教学中均可以“便携式倒立摆控制系统”为平台，设置一些相应的教学任务，从而使学生易于理解课程中的抽象概念，提高学生主动思维能力，拓展学生的动手实践能力，提高学生的就业竞争力。

4 结语

随着自动化技术广泛应用于居民生产生活的各个领域，控制理论类课程也受到信息技术类专业学生的青睐。本文结合民族院校特色，针对北方民族大学自动化专业控制理论类课程特点及教学现状，以便携式倒立摆控制系统为平台，基于任务驱动法，对其教学内容、教学方法进行了改革探索，教学效果良好。

参考文献

[1]邹伯敏.自动控制理论[M].北京：机械工业出版社，

2010.

[2]潘双来，邢丽冬，胡寿松.信号、系统与控制课程群建设[J].电气电子教学学报，2004，26（6）：24-26.

[3]戴先中.自动化学科（专业）的知识结构与知识体系浅析[J].中国大学教学，2005（2）：19-21.

[4]曾庆军，徐绍芬，韦中利.自动化专业控制类课程群实验教学改革[J].实验室研究与探索，2006，25（5）：632-634.

[5]蒋信芳.任务驱动法在《机械设计基础》课程中的应用[J].科技资讯，2016（2）：159-160.