“現(xiàn)代控制理論”課程研究型教學(xué)實(shí)踐與探討

1、“現(xiàn)代控制理論”課程研究型教學(xué)實(shí)踐與探討基金項(xiàng)目 : 本文系 2008 年沈陽(yáng)理工大學(xué)研究生教學(xué)改革基金項(xiàng)目和 2007 年、 2009 年沈陽(yáng)理工大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目的研究成果?！艾F(xiàn)代控制理論”是“控制工程基礎(chǔ)”的后續(xù)課程 , 課程以多輸入多輸出系統(tǒng)為研究對(duì)象 , 將實(shí)際系統(tǒng)抽象為以狀態(tài)空間表達(dá)式為主的數(shù)學(xué)模型 , 根據(jù)數(shù)學(xué)模型去研究系統(tǒng)的內(nèi)在響應(yīng)特性 , 分析系統(tǒng)的可控性、可觀性、穩(wěn)定性等基本特性 , 主要以狀態(tài)反饋和輸出反饋的方法完成系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)。課程具有多學(xué)科交叉、理論性和實(shí)踐性并重、技術(shù)手段更新快的特點(diǎn)。為了克服本課程概念抽象、不易掌握的問(wèn)題 , 同時(shí)注重對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的培

2、養(yǎng) , 本文探索了以研究型學(xué)習(xí)為主 , 以實(shí)際的物理對(duì)象為背景穿插進(jìn)行控制系統(tǒng)建模、仿真和控制算法實(shí)現(xiàn)等的理論與實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)模式 , 并相應(yīng)地對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段、考試方式進(jìn)行了配套改革。一、課程教學(xué)改革“現(xiàn)代控制理論”課程主要是從實(shí)際物理系統(tǒng)抽象出來(lái)的數(shù)學(xué)模型出發(fā) , 研究系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 , 通過(guò)本課程的學(xué)習(xí) , 應(yīng)使學(xué)生掌握多輸入多輸出系統(tǒng)的建模方法 , 通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)變量的描述來(lái)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)分析主要包括系統(tǒng)能控性、能觀性以及穩(wěn)定性分析; 控制器的設(shè)計(jì)主要包括狀態(tài)反饋與觀測(cè)器設(shè)計(jì)、最優(yōu)控制等。課程涉及內(nèi)容廣泛, 教學(xué)內(nèi)容多 , 抽象嚴(yán)謹(jǐn) , 教學(xué)學(xué)時(shí)又相對(duì)較少。在

3、課程教學(xué)中發(fā)現(xiàn), 學(xué)生對(duì)該課程的反映一般分為兩類(lèi):一類(lèi)感到枯燥無(wú)味、難懂、學(xué)不進(jìn)去; 另一類(lèi)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)好的,對(duì)理論和方法能學(xué)懂, 但不知道用在哪兒、如何用。為了解決這兩方面的問(wèn)題, 我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段等進(jìn)行了深入的改革探索。1. 重視緒論內(nèi)容教學(xué)在緒論中重點(diǎn)介紹自動(dòng)控制理論的發(fā)展史, 現(xiàn)代控制理論研究的對(duì)象、方法及內(nèi)容, 現(xiàn)代控制理論的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì) , 以及在工業(yè)生產(chǎn)、航空、航天等領(lǐng)域所起的重要作用。為了增強(qiáng)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)該課程的興趣 , 課程中采用了多個(gè)視頻資料 , 包括阿波羅登月、我國(guó)的神舟七號(hào)載人航天飛行、美國(guó) NASA的月球車(chē)、日本本田公司的 ASIMO機(jī)器人、國(guó)際機(jī)器人

4、大賽等 , 并簡(jiǎn)要介紹了這些系統(tǒng)中用到的現(xiàn)代控制理論知識(shí)。學(xué)生由此對(duì)課程產(chǎn)生了濃厚的興趣以及強(qiáng)烈的求知欲望。2. 將 MATLAB仿真軟件引入課堂教學(xué)MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室 (MatrixLaboratory)的簡(jiǎn)稱(chēng) , 是美國(guó) MathWorks 公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件 , 是用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境 , 主要包括 MATLAB和 Simulink兩大部分。該語(yǔ)言工具簡(jiǎn)單易用, 符合科技人員對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式的書(shū)寫(xiě)格式。MATLAB對(duì)許多專(zhuān)門(mén)的領(lǐng)域都開(kāi)發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱 , 更利于非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的科技人員使用。本課程主要使用控制系統(tǒng)工具

5、箱 Control System Toolbox和動(dòng)態(tài)仿真工具箱 Simulink Toolbox。目前國(guó)外經(jīng)典的現(xiàn)代控制理論教材 , 比如美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué) K Ogata 教授撰寫(xiě)的一部控制系統(tǒng)國(guó)際通用教材現(xiàn)代控制工程 ( 第四版 ), 把 MATLAB作為一種基本工具 , 用于分析、計(jì)算、設(shè)計(jì)和仿真研究 , 具有很好的效果。將 MATLAB語(yǔ)言和現(xiàn)代控制理論的教學(xué)有機(jī)結(jié)合 , 使得抽象的理論直觀化 , 便于學(xué)生理解 , 還可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程的同時(shí)熟悉 MATLAB仿真軟件的使用。在控制系統(tǒng)的性能分析中需要繪制大量的響應(yīng)曲線(xiàn) , 對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng) , 采用手工繪圖不僅浪費(fèi)大量時(shí)間 , 而且

6、也不準(zhǔn)確 , 利用 MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算功能和控制系統(tǒng)工具箱中相關(guān)函數(shù) , 可以容易地繪制控制系統(tǒng)的各類(lèi)響應(yīng)曲線(xiàn) , 并能動(dòng)態(tài)地演示這些曲線(xiàn)。對(duì)于不同參數(shù)條件下系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)的比較也可以利用 MATLAB直觀快捷地實(shí)現(xiàn)。在控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中 , 采用 MATLAB函數(shù)可以分步實(shí)現(xiàn)各類(lèi)控制器的設(shè)計(jì) , 并可編程比較系統(tǒng)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)狀態(tài)下的性能以及不同控制器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。課程中要求學(xué)生自學(xué) MATLAB的基本函數(shù)和語(yǔ)法 , 在課堂教學(xué)中 , 在相關(guān)的理論講解之后, 簡(jiǎn)要介紹 MATLAB/Control工具箱中的對(duì)應(yīng)函數(shù)的使用方法。課后作業(yè)也分為兩類(lèi), 一類(lèi)是計(jì)算量不大的習(xí)題, 要求學(xué)生手工計(jì)

7、算, 以加深學(xué)生對(duì)理論的理解 ; 另一類(lèi)計(jì)算量較大, 手工求解費(fèi)時(shí)費(fèi)力, 要求學(xué)生用 MATLAB求解。3. 教學(xué)中引入工程實(shí)例倒立擺控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、不穩(wěn)定的非線(xiàn)性系統(tǒng)是進(jìn)行控制理論教學(xué)及開(kāi)展各種控制實(shí)驗(yàn)的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。對(duì)倒立擺系統(tǒng)的研究能有效地反映控制中的許多典型問(wèn)題如非線(xiàn)性問(wèn)題、魯棒性問(wèn)題、鎮(zhèn)定問(wèn)題、隨動(dòng)問(wèn)題以及跟蹤問(wèn)題等。通過(guò)對(duì)倒立擺的控制, 檢驗(yàn)新的控制方法是否有較強(qiáng)的處理非線(xiàn)性和不穩(wěn)定性問(wèn)題的能力。同時(shí), 其控制方法在軍工、航天、機(jī)器人和一般工業(yè)過(guò)程領(lǐng)域中都有著廣泛的用途 , 如機(jī)器人行走過(guò)程中的平衡控制、火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等。倒立擺系統(tǒng)按擺桿數(shù)量的不

8、同, 可分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)倒立擺等 , 沈陽(yáng)理工大學(xué) ( 以下簡(jiǎn)稱(chēng)“我?！?) 現(xiàn)有二級(jí)直線(xiàn)倒立擺實(shí)驗(yàn)臺(tái)。系統(tǒng)通過(guò)給移動(dòng)小車(chē)在水平方向施加一個(gè)控制力 , 使小車(chē)在有限長(zhǎng)的導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng), 以保持小車(chē)上的多級(jí)擺桿不倒。教學(xué)中 , 將倒立擺作為工程實(shí)例貫穿整個(gè)課程, 在各階段理論教學(xué)之后, 完成倒立擺的系統(tǒng)建模、分析及控制器設(shè),:計(jì)等 , 提高學(xué)生的工程應(yīng)用能力及學(xué)以致用的信心。4. 開(kāi)展研究型學(xué)習(xí)開(kāi)展研究型學(xué)習(xí)是本項(xiàng)課程改革的核心內(nèi)容, 旨在引導(dǎo)學(xué)生了解科學(xué)研究的基本方法 , 加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。研究型學(xué)習(xí)的開(kāi)展流程及進(jìn)度安排如圖1 所示。在第一階段 , 引導(dǎo)學(xué)生充分利用圖書(shū)

9、館和網(wǎng)絡(luò), 搜集現(xiàn)代控制理論在科技、工業(yè)和生活中應(yīng)用的實(shí)例 , 教師選定幾個(gè)典型的現(xiàn)代控制理論實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) , 包括倒立擺系統(tǒng)、雙容水箱系統(tǒng)、球桿系統(tǒng)、自平衡小車(chē)等 , 作為小型課題布置給學(xué)生作為研究型學(xué)習(xí)的研究對(duì)象。在第二階段 , 學(xué)生自行分組 , 組成研究小組 , 在 6 周的時(shí)間內(nèi) , 跟隨課程的學(xué)習(xí)進(jìn)度依次完成被控對(duì)象的建模和性能分析 , 并完成控制器的設(shè)計(jì) , 然后用 MATLAB/Simulink 建立控制系統(tǒng)的仿真模型 , 對(duì)系統(tǒng)的控制性能進(jìn)行仿真分析。兩組之間如果被控對(duì)象相同 , 要求采用不同的控制算法。在第三階段 , 要求學(xué)生以組為單位撰寫(xiě)研究報(bào)告 , 并以小組的形式進(jìn)行研究匯報(bào)

10、 , 匯報(bào)中要求小組成員全員參加 , 教師和其他組學(xué)生同時(shí)對(duì)研究情況進(jìn)行打分評(píng)價(jià)。通過(guò)口頭匯報(bào) , 不僅可以活躍研究氛圍, 加強(qiáng)各組學(xué)生之間的交流, 開(kāi)闊學(xué)生的視野 , 還可以檢驗(yàn)每個(gè)學(xué)生在課題研究中的參與程度。在最后階段 , 由于學(xué)校相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有限 , 目前只有一、二級(jí)直線(xiàn)倒立擺實(shí)驗(yàn)平臺(tái) , 本階段采用預(yù)約實(shí)驗(yàn)的形式 , 以小組為單位預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間 , 在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)學(xué)生自行設(shè)計(jì)的控制算法。二、考核方式的改革實(shí)踐目前 , 大部分課程的考核方式仍以閉卷考試為主 , 部分學(xué)生有考前突擊行為 , 并沒(méi)有真正地學(xué)到本領(lǐng)。為引導(dǎo)學(xué)生參與到研究型學(xué)習(xí)中 , 課程組對(duì)現(xiàn)代控制理論考核方式進(jìn)行了大膽的改革

11、嘗試 , 加大研究型學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)權(quán)重。考核的總評(píng)成績(jī)最高為 100 分 , 其中 , 期末試卷重點(diǎn)考查基本概念和基礎(chǔ)理論的應(yīng)用 , 由于時(shí)間有限 , 試題的計(jì)算量不能太大 , 試卷成績(jī)占總評(píng)成績(jī)的 40%;課堂及平時(shí)成績(jī)主要考查學(xué)生的作業(yè)及平時(shí)的學(xué)習(xí)積極性和自主性 , 占總評(píng)成績(jī)的 20%;研究型學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)結(jié)果占總評(píng)成績(jī)的 40%。這樣的評(píng)價(jià)方式可以促進(jìn)學(xué)生平時(shí)對(duì)課程的投入 , 保證了課程培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。在研究型學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)中 , 重點(diǎn)考慮學(xué)生對(duì)課題研究的參與性、主動(dòng)性和創(chuàng)新性 , 以及研究報(bào)告的撰寫(xiě)水平和口頭匯報(bào)中的表達(dá)能力。研究課題允許學(xué)生失敗 , 但要求過(guò)程完整并有一定的創(chuàng)新性。評(píng)價(jià)采取教師評(píng)價(jià)、自評(píng)和他評(píng)相結(jié)合的形式。倒立擺實(shí)驗(yàn)臺(tái)的預(yù)約實(shí)驗(yàn)作為附加分計(jì)入研究型學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)。三、教學(xué)效果教學(xué)實(shí)踐表明 , 新的教學(xué)方式可以大大提高學(xué)生的積極性、主動(dòng)性 , 促進(jìn)了學(xué)生從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”的轉(zhuǎn)變,