《现代控制理论》课程的CDIO模式教学改革

李华雄

摘要：《现代控制理论》是大学本科自动化专业重要的专业基础课程。针对《现代控制理论》课程的教学内容与工程应用背景，结合CDIO工程教育理念和教学实践，提出了基于CDIO教育理念的《现代控制理论》课程教学改革方案，以提高工科自动化专业本科生的实践创新能力，为培养相关专业卓越工程师提供了思路和借鉴。

关键词：《现代控制理论》；CDIO；工程教育；教学改革

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）25-0117-02

一、引言

《现代控制理论》（Modern Control Theory）是工科自动化本科的重要专业基础课程，在国内高校自动化及相关专业中已普遍开设。《现代控制理论》是本科课程《自动控制原理》的深化，又是研究生课程《自适应控制》、《线性系统理论》、《最优控制理论》、《鲁棒控制》等专业课程的基础[1]。因此，该课程在工科自动化专业课程中具有承前启后的地位，在工程教育的教學改革中如何来提高该课程的教学质量显得尤为重要[2]。在工程教育研究中，CDIO教育理念模式近年来受到世界高等教育界的广泛关注[3]。CDIO（Conceive，Design，Implement，Operate）是本世纪初由麻省理工学院、瑞典皇家工学院等大学创立的面向未来卓越工程师的大学教学方法。CDIO教学方法的思想包括Conceive（构思）、Design（设计）、Implement（实现）和Operate（运作）四大要素，其强调工程教育应使得学生对工程应用具有充分把握，发展面向工程应用实际的综合能力[4-6]。《现代控制理论》作为一门典型的工科专业课程，是培养自动化领域未来卓越工程师必备的基础核心课程，具有CDIO涉及的工科课程特点，尤其适合开展CDIO模式的构思、设计、实现和运作理念课程建设。

二、工程背景下的现代控制理论教改

鉴于《现代控制理论》的工科特色背景，在教改实践中，可以现代控制理论工程应用案例为导向，在课堂中引入控制系统构思（Conceive-Control systems）、控制系统设计（Design-Control systems）、控制系统实现（Implement-Control systems）和控制系统运作（Operate-Control systems）等内容，将CDIO模式教学思想和方法渗透到课程的各章节内容，形成由学生“做中学”的知识获取模式。

1.结合工程实践背景，引入CDIO模式教学方法。根据CDIO模式注重设计、实现及运作的内容要求，教师可考虑在保证现代控制理论内容的严谨性和完整性的前提下，不求过多定理的理论推导证明，而是突出问题的工程背景和应用案例，强调贯串于各章论述中的控制系统应用案例的实现（例如倒立摆系统、自平衡机器人系统等案例）。教学中的理论阐述应力求严谨、易懂和简练。重点可考虑结合Matlab控制系统工具箱、Simulink、Automation Studio等自动化仿真平台及相关硬件系统，加强对学生的工程应用的培养，并要求学生独立完成有关工程案例的Conceive（构思）、Design（设计）、Implement（实现）和Operate（运作）的过程（CDIO），以达到巩固所学理论知识的目的。工程背景下的现代控制理论教改可考虑侧重现代控制理论的工程应用背景介绍，结合Matlab、Automation Studio仿真平台展示，让学生了解到该课程是分析与设计高质量和大型复杂控制系统的工程的理论基础，同时应了解计算机、人工智能等应用技术对现代控制理论发展的贡献。教师在授课时引入的主题内容包括系统的状态空间描述的建立与分析；能控性与能观性分析；系统稳定性分析与判断；状态反馈与输出反馈综合问题；最优控制问题；等等。按照由浅入深的原则首先介绍建立状态空间描述的两种方法，包括“机理建模法”和“传函实现法”。在建立状态空间描述后，教师展开基于状态空间模型的系统分析方法，包括状态空间模型求解、能控能观、稳定性分析等。在系统综合问题中，需突出理论与实际联系，并依据工程控制性能指标的不同，介绍常规系统综合应用与最优性能指标综合应用。在CDIO模式教改中，这种教学实践可以既使得学生掌握的知识具有系统性和连贯性，同时又面向工程实践应用。

2.优化CDIO实践教学内容，提升实验平台层次。在CDIO模式的教改实践中，教师可以在讲授《现代控制理论》的理论基础上，重点加强控制系统案例介绍，可基于Matlab和Automation Studio等自动化软件及相关硬件，以自平衡小车系统作为典型示例，加强CDIO模式下的实验平台的教学与建设，提升实验平台层次。倒立摆作为一种控制理论与工程的教学实验设备，是一个典型的不稳定控制系统，实现其稳定控制可采用多种控制理论方法，具有较强的趣味性，适合学生使用它来验证所学的控制理论。因此，倒立摆设备是进行现代控制理论CDIO模式教改较为理想的实验平台。根据倒立摆控制系统的实践教学要求，针对CDIO模式的运作能力培养目标，我们考虑采取针对学生特点的个性化实践教学培养模式。根据学生对课程知识掌握的深浅，在尊重学生个性、重视学生主体选择和个性差异的基础上对学生进行分类。依据学生对倒立摆控制系统的设计水平，把学生分成创新型培养目标群体、强化型培养目标群体和提升型培养目标群体。针对不同群体的学生提出倒立摆稳定控制的相应评价指标，设计梯度化的实验考核机制，实现不同层次学生的工程实践能力CDIO培养目标。

三、CDIO模式下的现代控制理论教改方案

考虑到学生特点和教学目标，教师可以CDIO模式培养大纲为引导，按照自动化专业本科生《现代控制理论》的培养要求，借鉴信息化和项目教学设计方法，实现“教、学、做”一体化的CDIO教学设计。CDIO模式下的《现代控制理论》教改方案具体如下。

1.在教改引入阶段。（1）借助Matlab、Automation Studio等自动化教学实践平台，展示倒立摆稳定控制效果，提高学生对学习《现代控制理论》课程的兴趣。（2）介绍课程的主要知识点，并以Matlab、Automation Studio实验仿真平台上实现倒立摆稳定控制为实践目标，让学生体会《现代控制理论》课程主要知识点的具体任务和知识点的相互关系。（3）依据学生的学习能力差异，按照优势互补、分工协作的原则组成研究学习小组，并安排倒立摆稳定控制仿真实验报告及评价方式等。

2.在教改深入阶段。教师详细讲授《现代控制理论》的主要知识点，要求学生基于Matlab、Automation Studio仿真实验平台进行倒立摆稳定控制的设计，确定任务实施步骤，做好动手设计准备。进一步来讲，学生在Matlab、Automation Studio实验平台上分组设计调试，教师给予指导，使学生完成设计任务。

3.在教改评价阶段。学生在Simulink、Automation Studio实验平台演示倒立摆控制效果，总结学习内容，并形成课程报告，完成倒立摆穩定控制的Conceive（构思）、Design（设计）、Implement（实现）和Operate（运作）的全过程。

参考文献：

[1]何德峰，俞立，徐建明.基于MATLAB的现代控制理论实验教学实践[J].实验技术与管理，2016，33（3）：123-126.

[2]郑志强，翁智.现代控制理论课程教学改革探索[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：381-383.

[3]胡兴志，丁飞己，王纪坤.从CDIO教学大纲变动看CDIO课程改革[J].高等工程教育研究，2015，（3）：189-192.

[4]曾国强，吴刚，李勍.联合实验室培养电子类卓越工程师模式实践与探索[J].实验技术与管理，2015，32（8）：34-36.

[5]康全礼，丁飞己.中国CDIO工程教育模式研究的回顾与反思[J].高等工程教育研究，2016，（4）：40-46.

[6]张士辉，祁芸，严玮.基于CDIO的卓越工程师订单班课程改革实践[J].高等工程教育研究，2014，（5）：187-190.

Education Reform of "Modern Control Theory" Based on CDIO

LI Hua-xiong

（School of Management and Engineering，Nanjing University，Nanjing，Jiangsu 210093，China）

Abstract："Modern Control Theory" is a professional core course for undergraduate students of automation major. A CDIO-based educational reform program is proposed，which considers both teaching content and application of "Modern Control Theory".The CDIO-based education reform of "Modern Control Theory" is proposed to improve the innovation ability of the undergraduate students in automation major，which provides successful educational experiences to train excellence engineer for related majors.

Key words："Modern Control Theory"；CDIO；engineering education；education reform