潘俊濤++劉芳++張白++韋海成

摘 要 針對目前現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)中存在的理論與實(shí)踐相脫節(jié)，課程知識(shí)概念抽象、難以理解等問題，引入任務(wù)驅(qū)動(dòng)法教學(xué)理念，將便攜式倒立擺的建模、分析、設(shè)計(jì)及控制實(shí)現(xiàn)貫穿于整個(gè)課程教學(xué)中，從而激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)熱情。該教學(xué)方法具有較好的操作性，教學(xué)效果良好。

關(guān)鍵詞 便攜式倒立擺；現(xiàn)代控制理論；任務(wù)驅(qū)動(dòng)法

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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

自動(dòng)控制技術(shù)是衡量一個(gè)國家現(xiàn)代化發(fā)展程度的重要指標(biāo)之一。所謂自動(dòng)控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程（被控對象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行[1]。作為當(dāng)前信息技術(shù)領(lǐng)域的重要內(nèi)容之一，自動(dòng)控制技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域起著越來越重要的作用。時(shí)至今日，在生產(chǎn)、軍事、管理、生活等各個(gè)領(lǐng)域，隨處可見自動(dòng)控制的身影。

隨著國家現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷深入，全社會(huì)對自動(dòng)控制技術(shù)人才的需求量也日益增長。為此，全國各高校相繼設(shè)立自動(dòng)化專業(yè)，以期為社會(huì)培養(yǎng)具有一定工程素質(zhì)，掌握自動(dòng)化學(xué)科基本理論和應(yīng)用技術(shù)的自動(dòng)控制技術(shù)人才。同時(shí)，各高校根據(jù)自身的辦學(xué)定位，制訂諸多特色鮮明的自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)方案。需要指出的是，各高校自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)方案雖有一定的差別，但都會(huì)把現(xiàn)代控制理論課程作為其課程體系中不可或缺的核心內(nèi)容[2-4]。

北方民族大學(xué)作為一所委屬民族院校，根據(jù)旨在服務(wù)我國少數(shù)民族和民族地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的辦學(xué)目的，培養(yǎng)優(yōu)秀少數(shù)民族人才的辦學(xué)定位，針對高年級自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生開設(shè)了48課時(shí)的現(xiàn)代控制理論課程，其中理論課時(shí)數(shù)為40，實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)為8。該課程在教學(xué)要求上對高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、大學(xué)物理等數(shù)理基礎(chǔ)課程有較強(qiáng)的依賴，并且課程中的抽象概念繁多，加之民族院校學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中普遍感覺吃力。此外，課程實(shí)踐課時(shí)數(shù)少，在一定程度上限制了對學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力和工程素養(yǎng)能力的培養(yǎng)。因此，如何在國家高等教育改革的新形勢下，高質(zhì)量地完成現(xiàn)代控制理論課程的教學(xué)任務(wù)，并培養(yǎng)出具備一定工程素養(yǎng)的合格自動(dòng)化專業(yè)技術(shù)人才，是擺在任課教師面前亟待解決的重要難題之一。

本文以北方民族大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)開設(shè)的現(xiàn)代控制理論課程為背景，針對當(dāng)前課程教學(xué)過程中普遍存在的問題，在課程教學(xué)中引入便攜式倒立擺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在該平臺(tái)下提出一種以任務(wù)驅(qū)動(dòng)法[5]為核心思想的控制理論類課程教學(xué)改革方法，以改善現(xiàn)有現(xiàn)代控制理論課程的教學(xué)效果，在夯實(shí)自動(dòng)控制理論知識(shí)基礎(chǔ)的同時(shí)，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)的培養(yǎng)。

2 課程特點(diǎn)及教學(xué)現(xiàn)狀分析

課程特點(diǎn) 現(xiàn)代控制理論是北方民族大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)方案中開設(shè)的一門重要的專業(yè)課程。該課程以狀態(tài)空間為核心，培養(yǎng)學(xué)生分析和設(shè)計(jì)一般自動(dòng)控制系統(tǒng)的能力。鑒于學(xué)校地處西部偏遠(yuǎn)地區(qū)，綜合考慮區(qū)域性學(xué)科發(fā)展，民族院校人才培養(yǎng)、教育科研的特點(diǎn)，將現(xiàn)代控制理論的教學(xué)目標(biāo)定為了解自動(dòng)控制的基本原理，掌握多輸入多輸出控制系統(tǒng)的建模方法，具備一定運(yùn)用基本數(shù)理知識(shí)和MATLAB輔助設(shè)計(jì)軟件對控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)的能力。相比其他專業(yè)課程，該課程具有如下特點(diǎn)。

1）課程理論性強(qiáng)?？刂评碚擃愓n程是一類理論性很強(qiáng)的專業(yè)課程。其主要目的是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用書本知識(shí)定性、定量分析與設(shè)計(jì)一般控制系統(tǒng)的基本能力。課程教學(xué)內(nèi)容對高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、大學(xué)物理、復(fù)變函數(shù)、電路原理、模擬電子基礎(chǔ)、數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)課程有較強(qiáng)的依賴，這就要求學(xué)生在課程的學(xué)習(xí)過程中必須具備一定的數(shù)、理、電三方面的基本知識(shí)。

2）課程知識(shí)概念抽象。由于控制理論類課程是以數(shù)理知識(shí)為基礎(chǔ)的，因此，課程所涉及的許多重要控制概念，如系統(tǒng)穩(wěn)定性、能控性、能觀性、魯棒性等，都以數(shù)學(xué)形式給出，致使相當(dāng)一部分學(xué)生在學(xué)習(xí)理解掌握課程內(nèi)容上較為吃力。

課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

1）學(xué)生基礎(chǔ)薄弱。作為一所民族院校，有相當(dāng)一部分比例的學(xué)生來源于邊疆少數(shù)民族地區(qū)和邊遠(yuǎn)貧困地區(qū)，基礎(chǔ)較弱。因此，在學(xué)習(xí)控制理論類課程的時(shí)候，學(xué)生很難對該課程涉及的數(shù)理基礎(chǔ)知識(shí)及抽象的課程概念做到基本的掌握，從而一定程度上增加了學(xué)生對該課程學(xué)習(xí)的難度，學(xué)習(xí)積極性不高，學(xué)習(xí)興趣降低。

2）重理論輕實(shí)踐，理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)。作為一所應(yīng)用型本科院校，教學(xué)的指導(dǎo)思想是讓學(xué)生在學(xué)完課程之后能夠很快地將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中去。目前學(xué)校雖然對自動(dòng)化專業(yè)的控制理論類課程配套了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)，但由于學(xué)時(shí)數(shù)少，且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也僅僅停留在對理論知識(shí)的簡單驗(yàn)證。這樣的實(shí)踐環(huán)節(jié)往往不能取得良好的效果，也一定程度上影響了對整體課程理論知識(shí)的把握，無法充分利用有限的實(shí)踐機(jī)會(huì)加深理解專業(yè)理論，從而使得理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)脫節(jié)。

綜上所述，為了進(jìn)一步改善控制理論類課程教學(xué)效果，培養(yǎng)具備一定工程素養(yǎng)的自動(dòng)化技術(shù)人才，針對控制理論類課程教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的改革探索勢在必行。

3 課程教學(xué)改革

鑒于控制理論類課程特點(diǎn)及其教學(xué)現(xiàn)狀，該門課程的教學(xué)不僅要夯實(shí)學(xué)生的理論基礎(chǔ)，而且要培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)。倒立擺系統(tǒng)是一種從工程實(shí)際中抽象出來的控制模型，是一個(gè)絕對不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，其高階次、強(qiáng)耦合、多變量等特性，使得對它的控制極富有挑戰(zhàn)性。目前，國內(nèi)外的控制實(shí)驗(yàn)中心均普遍將其作為控制算法驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

有鑒于此，本文以“便攜式倒立擺”為載體，圍繞該平臺(tái)，設(shè)置一系列“任務(wù)”，并將其穿插在控制理論類課程的教學(xué)過程中，探索基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)法的控制理論類課程改革新方法。

不同于傳統(tǒng)倒立擺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，便攜式平臺(tái)的便攜性和易維護(hù)性打破了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)場地的空間約束，方便地將“實(shí)踐”教學(xué)環(huán)節(jié)引入課堂，借此拉近理論與實(shí)踐的距離，克服傳統(tǒng)教學(xué)中重理論輕實(shí)踐、知行分離的弊端。此外，其特有的USB通信方式，可使學(xué)生非常方便地利用自己的筆記本電腦將課堂知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際控制設(shè)備，無形中開放了“實(shí)驗(yàn)室”。如此，課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)不再受時(shí)間、場地的限制，且易于維護(hù)。這不僅最大程度上增大了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，更建立了學(xué)生對理論性課程教學(xué)的興趣，在“授之以魚”的過程中“授之以漁”。

受篇幅限制，本文以系統(tǒng)建模為例，圍繞倒立擺系統(tǒng)，設(shè)置“建立便攜式倒立擺系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型”教學(xué)任務(wù)，并將該任務(wù)貫穿于課程“動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述”的教學(xué)中。

眾所周知，系統(tǒng)建模是學(xué)習(xí)控制理論類課程的第一環(huán)節(jié)，也是分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的前提條件。受學(xué)時(shí)限制，現(xiàn)有教學(xué)方法僅僅以簡單電路系統(tǒng)或機(jī)械系統(tǒng)為例，在理想情況下說明數(shù)學(xué)建模的過程和方法。然而在工程實(shí)際中，建立一個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型絕非易事，要經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜的過程。在國家推行“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的形勢下，非常有必要讓學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中親歷這一建模過程。

首先讓學(xué)生熟悉認(rèn)識(shí)便攜式倒立擺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制原理，然后運(yùn)用“數(shù)、理、電”三方面的知識(shí)去分析對象的機(jī)理特性，并要求學(xué)生利用自身現(xiàn)有知識(shí)，并輔以相關(guān)文獻(xiàn)資料，推導(dǎo)出系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的“雛形”。一般而言，推導(dǎo)出來的數(shù)學(xué)模型往往是非線性的，這使得學(xué)生無法利用課程知識(shí)去解決其控制問題。面對這樣的問題，課程引入線性化的理論知識(shí)，此時(shí)學(xué)生需要建立理論知識(shí)與實(shí)際控制問題的聯(lián)系，如尋找倒立擺系統(tǒng)的平衡點(diǎn)，如何在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行線性化，從而理解局部線性化、系統(tǒng)平衡點(diǎn)等知識(shí)概念。只有經(jīng)歷這樣一個(gè)過程，學(xué)生才能抓住系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模的本質(zhì)及核心。

在線性模型的基礎(chǔ)上引入系統(tǒng)狀態(tài)空間描述的知識(shí)概念。依據(jù)往年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生對“動(dòng)態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)空間描述”中的“狀態(tài)”的理解一直是現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)的難點(diǎn)。在建立便攜式倒立擺數(shù)學(xué)建模過程中，涉及的各個(gè)“狀態(tài)”都是明確的物理量，學(xué)生對此抽象概念理解起來十分方便。此外，為進(jìn)一步說明狀態(tài)空間描述的不唯一性，要求學(xué)生圍繞便攜式倒立擺，選用不同的狀態(tài)（或狀態(tài)組合）建立其狀態(tài)控制表達(dá)式，并以此模型，展開后續(xù)的課程學(xué)習(xí)。

同樣的，在系統(tǒng)性能分析，控制器設(shè)計(jì)、MATLAB仿真設(shè)計(jì)等部分的教學(xué)中均可以“便攜式倒立擺控制系統(tǒng)”為平臺(tái)，設(shè)置一些相應(yīng)的教學(xué)任務(wù)，從而使學(xué)生易于理解課程中的抽象概念，提高學(xué)生主動(dòng)思維能力，拓展學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，提高學(xué)生的就業(yè)競爭力。

4 結(jié)語

隨著自動(dòng)化技術(shù)廣泛應(yīng)用于居民生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，控制理論類課程也受到信息技術(shù)類專業(yè)學(xué)生的青睞。本文結(jié)合民族院校特色，針對北方民族大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)控制理論類課程特點(diǎn)及教學(xué)現(xiàn)狀，以便攜式倒立擺控制系統(tǒng)為平臺(tái)，基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)法，對其教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法進(jìn)行了改革探索，教學(xué)效果良好。

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