“网络化控制系统”课程的教学探索

万雄波　张传科

摘要：本文分析了我校研究生选修课程“网络化控制系统”的特色，给出了基于不同主线的两种教学内容安排方式。针对选课学生的具体特点，包括研究方向，基本技能，兴趣爱好等，分析了如何充分发挥这两种教学内容安排方式的优点，提出更合理的教学内容安排方式，以调动学生学习积极性，并提高教学效果。指出未来探索的新方向。

关键词：网络化控制系统；教学内容安排；网络诱导现象；建模方法

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）50-0116-02

随着网络技术的飞快发展，网络化控制系统在移动传感器网络、远程手术、智能交通、航空航天等各领域都得到了广泛应用[1]。网络化控制系统是指用数字通信网络实现分布在不同区域的传感器、控制器和执行器等部件之间信息传递和信号传输的系统[2]。网络化控制系统的研究，不仅能够促进其在各行各业深入广泛的应用，同时也为控制学科其他领域的研究，如基因调控网络和传感器网络等提供借鉴和参考。正是基于这种考虑，我校开设了研究生专业选修课程“网络化控制系统”。

有别于其他以现场总线为背景的同类课程[3]，我校开设的“网络化控制系统”课程主要讲授网络化控制系统的分析和设计方法。针对由于网络带宽有限产生的诸如时滞、丢包、乱序、量化误差等各种网络诱导现象，建立合适的数学模型，并基于所建立的数学模型，采用控制理论的方法探讨网络化系统的分析与设计问题。

针对我校“网络化控制系统”课程的特色，在教学内容的安排方面我们尝试了如下几种思路。

一、以网络诱导现象为主线的教学内容安排

有限的网络带宽产生的各种网络诱导现象，不仅严重降低系统性能，甚至导致系统失稳。同时，这些网络诱导现象极大地增加了系统分析和设计的复杂度。因此，我校“网络化控制系统”课程所探讨的一个核心问题就是如何分析网络诱导现象对系统性能的影响以及如何给出控制系统的最优设计方案。

在教学内容的安排上，一个很自然的想法就是以各种网络诱导现象为主线。从简单现象入手，先讲授只存在某一种网络诱导现象时，网络化系统的分析和设计方法。例如，在讲述时滞现象时，可以分别介绍典型的区间时变时滞、Markov随机过程等描述方法；在讲述丢包现象时，可介绍时滞、随机和切换等描述方法。

由于带宽有限，网络化控制系统中的各种网络诱导现象都有可能发生，因此，单独针对某种网络诱导现象的网络化控制系统的分析和设计方法可能在许多场合并不适用，需要进一步考虑多种网络诱导现象都可能发生时系统的分析和设计问题。在学生已掌握上述单个网络诱导现象的处理方法后，可进一步讲授多种网络诱导现象的处理方法。例如针对可能同时出现丢包和时滞的网络化控制系统，可以分别讲授基于时滞系统方法、基于Markov跳变系统方法和基于切换系统方法等建立统一模型，并进而介绍系统的分析和设计方法。

上述以網络诱导现象为主线的内容安排方式，可使学生较好地理解网络诱导现象的成因和类型，认识到网络化系统建模的重要性，从整体的角度把握网络化控制系统研究的脉络。但这种以网络诱导现象为主线的教学内容安排不利于学生对基本控制理论和方法的掌握。例如在分别介绍时滞和丢包现象时，通常会相继介绍时滞系统、随机系统以及切换系统的建模方法等，并简单介绍对应的系统分析和设计方法。这样的安排容易让学生眼花缭乱，尤其不利于学生系统掌握时滞、随机以及切换系统的分析和处理方法，而这类系统的处理方法在研究控制学科其他分支，如多智能体系统、复杂网络、基因网络等将起到至关重要的作用。因此，对于“网络化控制系统”课程而言，单纯以网络诱导现象为主线的教学内容安排方式通常并不可取。

二、以建模方法为主线的教学内容安排

“网络化控制系统”课程的另一种可能的内容安排方式是以建模方法为主线。即分别介绍网络化控制系统的常用建模方法，如时滞系统方法、随机系统方法以及切换系统方法等，并在此基础上，相继介绍可以分别采用时滞、随机和切换方法描述的具有一种或多种网络诱导现象的网络化控制系统的分析和设计方法。

这种以建模方法为主线的教学内容安排方式，尽管强化了对常用控制理论和方法的讲授，但却不利于学生对“网络化控制系统”课程的整体把握，尤其不利于学生系统地了解各种网络诱导现象的类别、成因和分析方法等。因此，以建模方法为主线的“网络化控制系统”教学内容安排方式同样也有很多不足之处。

三、基于学生特点分析的教学内容安排

以网络诱导现象和以建模方法为主线的“网络化控制系统”课程教学内容安排方式都有其自身的优点和缺点，因此需要探索一种更为合理的教学内容安排方式，充分发挥以上两种教学内容安排方式的优点，扬长避短。

经过教学实践和大量调研，我们发现采用如下的方式优化教学内容安排，可以极大地调动学生学习积极性，并提高教学效果。即针对选课学生的不同特点，因材施教，在以网络诱导现象为主线安排教学内容的同时，有针对性地加强部分建模方法的讲授。

选课学生的特点（包括研究方向，基本研究技能，兴趣爱好等）不同，他们对课程内容的需求也有所不同。例如大部分学生都将开展与时滞相关的研究，那么考虑到学生对时滞系统分析和设计等方面知识的需求，同时也为了促进学生更好地理解基于时滞系统方法的网络化控制系统的分析和设计，可以适当安排部分学时，专门加强时滞系统理论和方法的讲授，并强调这些新的时滞系统方法在网络化控制系统中的实际应用。这样，不仅可以使学生从整体的角度了解网络化控制系统的基本概念以及分析与设计方法等，而且通过加强对具体控制理论和方法的讲授，对学生今后从事网络化控制系统相关领域的研究也大有裨益。

四、今后探索的方向

在今后的教学过程中，要加强对学生特点的调研，并基于这些特点进一步探索更合理的网络化控制系统的教学内容安排方式。此外，还要加强实践环节的讲授[4]，针对具体的网络化控制系统，讲授实际系统的分析和设计方法，提高学生对实际问题的分析和解决能力。在教学方式上，要增加与学生的互动和研讨环节，通过课程论文演讲与答辩等各种形式，提高学生课堂参与度，充分调动学生学习的积极性，增强其自学能力。

参考文献：

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

[2]万雄波.不完整量测下网络化系统故障检测与控制[J].华中科技大学博士学位论文，2011.

[3]黄号凯，窦峰山，李晓龙，龙志强.“网络化控制”实践教学系统设计与实现[J].实验室科学，2016，19（4）：83-86.

[4]谢昊飞，蔡龙腾，网络化控制系统实验教学模式改革[J].实验室研究与探索，2015，34（1）：189-192.