現(xiàn)代控制理論課堂教學(xué)的研究與探索

1、    現(xiàn)代控制理論課堂教學(xué)的研究與探索    文傳博 焦斌摘 要：依據(jù)現(xiàn)代控制理論課程內(nèi)容和我校學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合案例教學(xué)進(jìn)行教學(xué)方法改革的探索。以三容水箱的故障診斷為案例引入課堂教學(xué)，向?qū)W生講述狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)的基本原理及其在實(shí)際中的應(yīng)用，而后利用學(xué)生數(shù)字的simulink仿真應(yīng)用的效果，案例教學(xué)有效提高了課堂效率和學(xué)生的工程實(shí)踐能力。關(guān)鍵詞：三容水箱;現(xiàn)代控制理論;案例教學(xué)現(xiàn)代控制理論是我校電氣工程專業(yè)研究生的一門(mén)重要的基礎(chǔ)課程，該課程是控制理論的一個(gè)主要組成部分，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)變量的描述來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，基本的方法是時(shí)間域方法。與經(jīng)典

2、控制理論以線性時(shí)不變系統(tǒng)為研究對(duì)象不同，現(xiàn)代控制理論可處理多輸入多輸出系統(tǒng)以及非線性系統(tǒng)，并且它所采用的算法更適合于在數(shù)字計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。通過(guò)對(duì)該課程的學(xué)習(xí)，使電氣工程專業(yè)碩士研究生掌握現(xiàn)代控制理論的基本原理與應(yīng)用方法，培養(yǎng)基于狀態(tài)方程開(kāi)展控制器設(shè)計(jì)的能力，為今后從事相關(guān)工作打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。1現(xiàn)代控制理論以自動(dòng)控制原理、線性代數(shù)、高等代數(shù)為基礎(chǔ)，具有理論性強(qiáng)、內(nèi)容抽象的特點(diǎn)，里面涉及到大量的矩陣運(yùn)算和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中存在較大的困難，若碩士研究生在本科期間未能較好的學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理等基礎(chǔ)課程，學(xué)好現(xiàn)代控制理論的難度會(huì)更大。2-3在我校每年招收的電氣工程專業(yè)碩士研究生中，跨專業(yè)考入人數(shù)

3、占有一定的比例，學(xué)生基礎(chǔ)相差較大。過(guò)于理論化的內(nèi)容導(dǎo)致學(xué)生聽(tīng)課積極性不高，大部分學(xué)生無(wú)法較好的掌握課程內(nèi)容，部分?jǐn)?shù)學(xué)基礎(chǔ)較好的同學(xué)雖然能掌握各個(gè)章節(jié)的理論知識(shí)，但缺乏對(duì)內(nèi)容的深刻理解，也很難將其與工程實(shí)踐有效結(jié)合，與我校電氣工程專業(yè)碩士研究生的培養(yǎng)目標(biāo)相違背。為了改變這種現(xiàn)象，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，我們結(jié)合教師的科研項(xiàng)目和實(shí)例，將具體案例引入課堂教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用背景相結(jié)合，提高課堂效率。1 狀態(tài)觀測(cè)器課堂案例教學(xué)狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)是現(xiàn)代控制理論的重要章節(jié)，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綜合的重要工具。在課堂教學(xué)時(shí)，都會(huì)著重公式推導(dǎo)，理論給出解觀測(cè)器的存在條件。然而學(xué)生對(duì)于該方法有何用處依然不甚

4、明了，為此，我們結(jié)合科研項(xiàng)目，以三容水箱為例展開(kāi)基于觀測(cè)器的故障診斷。三容水箱是常見(jiàn)的控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，水箱液位控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是進(jìn)行控制理論與控制工程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和研究的理想平臺(tái)，國(guó)內(nèi)外許多高校都擁有這類設(shè)備，三容水箱包含三個(gè)連通的玻璃水箱構(gòu)成的液位對(duì)象，液位控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置由水箱主體、差壓變送器、控制器、電氣轉(zhuǎn)換裝置和水泵等部件組成，每個(gè)水箱的進(jìn)水和出水流量都由閥門(mén)控制，可根據(jù)需要構(gòu)成不同階次的控制系統(tǒng)。學(xué)生可通過(guò)設(shè)計(jì)控制器，進(jìn)行智能控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)與研究，控制效果通過(guò)水位的變化直觀地反映出來(lái)，同時(shí)通過(guò)液位傳感器對(duì)水位的精確檢測(cè)，方便地獲得瞬態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，準(zhǔn)確評(píng)估控制性能。4三容水箱具有很好的模擬功

5、能，除了進(jìn)行液位控制之外，還可以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證故障診斷的各類算法，可以模擬導(dǎo)管堵塞、閥門(mén)漏水、泵停止轉(zhuǎn)動(dòng)、傳感器卡死等多類故障。2 基于觀測(cè)器的故障診斷3 仿真研究當(dāng)三容水箱執(zhí)行器發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)第3節(jié)設(shè)計(jì)的故障診斷觀測(cè)器，可以在matlab/simulink環(huán)境下給出仿真圖。simulink提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。電氣工程專業(yè)學(xué)位研究生在本科階段基本都學(xué)過(guò)該軟件的應(yīng)用，容易編程。基于系統(tǒng)模型（1）-（2）和觀測(cè)器（3）-（4），給定相應(yīng)的參數(shù)，并假定在第5秒發(fā)生執(zhí)行器故障，真實(shí)故障和仿真結(jié)果如圖

6、1和圖2所示：從圖1和圖2看出，基于觀測(cè)器的設(shè)計(jì)方法較好的估計(jì)出了故障信息，通過(guò)三容水箱的例子，讓學(xué)生了解狀態(tài)觀測(cè)器在實(shí)際科研中的應(yīng)用例子。4 結(jié)語(yǔ)本文以三容水箱的故障診斷為對(duì)象，將案例引入現(xiàn)代控制理論的課堂教學(xué)中，通過(guò)仿真說(shuō)明方法的有效性，在提高學(xué)生興趣的同時(shí)，強(qiáng)化了知識(shí)的掌握，加深了對(duì)這門(mén)課程相關(guān)內(nèi)容的理解。參考文獻(xiàn)：1劉豹，唐萬(wàn)生.現(xiàn)代控制理論（第3版）m.機(jī)械工業(yè)出版社，2006.2劉新宇，張紅濤.線性系統(tǒng)理論課堂教學(xué)的改革與探索j.課程教學(xué)，6：103-105，2015.3賀躍幫，王天雷.“現(xiàn)代控制理論”課程案例教學(xué)探索j.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，39（3）：66-68，2017.4黨長(zhǎng)青，王猛，陳