網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)教學(xué)中研究生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)

王玉龍,戚愛春

摘要:網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是目前自動控制領(lǐng)域的熱點研究問題之一,在進行網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)教學(xué)過程中需注重培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)教學(xué)實踐,以事件驅(qū)動的傳感器采樣模式為例,詳細介紹了在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析與建模的每個環(huán)節(jié)如何促進研究生開展自主思考,自主創(chuàng)新,所得結(jié)果對于研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng);事件驅(qū)動;創(chuàng)新;教學(xué)

中圖分類號:TP393文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1009-3044(2009)34-9758-02

Innovation Ability Cultivation of Postgraduates in Networked Control Systems Teaching

WANG Yu-long, QI Ai-chun

(School of Electronics and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

Abstract: The research on networked control systems is one of the hot topics in automatic control, and much attention should be paid to the cultivation of innovation consciousness and innovation ability of postgraduates in networked control systems teaching. Combining the teaching of networked control systems and taking the Event-Driven sensor sampling mode for example, this paper studies how to promote independent thinking and independent innovation of postgraduates in every step of networked control systems analysis and modeling, the obtained results are significative for the innovation ability cultivation of postgraduates.

Key words: networked control systems; event-driven; innovation; teaching

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)正在發(fā)生著深刻的變化。使用計算機網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制系統(tǒng)中的點對點結(jié)構(gòu),實現(xiàn)傳感器、控制器與執(zhí)行器之間的互聯(lián),具有重要的應(yīng)用價值。通過網(wǎng)絡(luò)連接傳感器、控制器與執(zhí)行器而形成的閉環(huán)系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked Control Systems,簡寫為NCSs)[1]。

與傳統(tǒng)的點對點結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)相比,網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有可以實現(xiàn)資源共享,具有較高的容錯與故障診斷能力,安裝與維護簡單,能有效減少系統(tǒng)的體積、增加系統(tǒng)的靈活性和可靠性等優(yōu)點。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的提出,具有很強的工程背景,這種來自實際工程問題和軍事問題的促進,使得網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究正成為目前國際學(xué)術(shù)界的研究熱點。

但是,國內(nèi)外學(xué)者對于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究目前處于起步階段,很多研究成果還不夠完善,而且國內(nèi)外關(guān)于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)方面的教材還不是太多。以上問題對于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的教學(xué)提出了新的挑戰(zhàn):一方面,網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有很強的工程背景,我們需要指導(dǎo)研究生開展相關(guān)問題的研究,以便培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力,同時提高我們國家在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)方面的研究水平;另一方面,現(xiàn)有教材內(nèi)容不夠完善,且教師在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)教學(xué)方面的經(jīng)驗不足,這為培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新能力提出了新的挑戰(zhàn)。

本文結(jié)合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的特點,研究在實際教學(xué)中如何培養(yǎng)研究生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題及解決問題的能力,提高研究生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力,所得到的結(jié)果對于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)教學(xué)研究工作具有一定借鑒意義。

1 培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新能力

從自主創(chuàng)新角度,文獻[2]將創(chuàng)新分為三種:一是原始創(chuàng)新,即從源頭研究問題的產(chǎn)生背景,并尋找自然界的基本規(guī)律;二是集成創(chuàng)新,即從當(dāng)今眾多技術(shù)中,概括提煉出新理論、新方法和新儀器;三是消化吸收再創(chuàng)新,即結(jié)合目前的科學(xué)難題以及解答這些難題經(jīng)常使用的方法,進行跟蹤到模仿再到創(chuàng)新。研究生創(chuàng)新意識與能力的培養(yǎng)不是一蹴而就的,而是一個循序漸進的過程,需要整合教師,學(xué)校及整個社會的資源,提高研究生創(chuàng)新能力[3]。下面,結(jié)合本人體會,討論如何培養(yǎng)創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力。

1.1 讓學(xué)生了解創(chuàng)新的內(nèi)涵

如上所述,創(chuàng)新可以分為原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新及消化吸收再創(chuàng)新。我們所說的創(chuàng)新,主要是發(fā)現(xiàn)新問題、新的自然現(xiàn)象,或者是對現(xiàn)有問題找到新的解決方法,與現(xiàn)有方法相比,這些新方法應(yīng)該具有效果良好、簡單易行等優(yōu)點。下面以網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的事件驅(qū)動采樣模式[4]為例說明如何使學(xué)生了解創(chuàng)新的涵義。

對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)而言,現(xiàn)有研究成果通常假定傳感器為時鐘驅(qū)動,而執(zhí)行器為事件驅(qū)動,這種驅(qū)動模式既可以保證系統(tǒng)建模的簡單性,同時又不會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時延的額外增大?，F(xiàn)有文獻也指出,如果執(zhí)行器采用時鐘驅(qū)動,則即使控制輸入到達執(zhí)行器,執(zhí)行器仍需等待一段時間再利用最近收到的控制輸入,這無疑會增加網(wǎng)絡(luò)時延,因此現(xiàn)有文獻很少采取執(zhí)行器時鐘驅(qū)動的方法。我們注意到,現(xiàn)有文獻并未考慮傳感器為事件驅(qū)動的情況,如果可以使得傳感器在某個事件發(fā)生時(事件驅(qū)動)開始采樣,而不是等到固定的時刻點采樣,則有可能改善系統(tǒng)性能。在課堂教學(xué)中,通過合理地分析現(xiàn)有研究結(jié)果的特點,則可能使學(xué)生發(fā)現(xiàn)新的問題。

1.2 激發(fā)研究興趣,提供研究基礎(chǔ)信息

高等學(xué)校的教學(xué)過程要體現(xiàn)其學(xué)術(shù)性[5],使研究生能夠融入到教學(xué)過程中,只有這樣,學(xué)生的研究興趣才能得到充分激發(fā)。在整個教學(xué)過程中,學(xué)生是學(xué)習(xí)過程的主體,而教師則是學(xué)習(xí)過程的組織者,學(xué)生通過行動去體驗研究課題,課堂氣氛活躍,學(xué)生動手踴躍,興趣濃厚。

激發(fā)研究興趣的一個重要手段就是進行“對話式”教學(xué)[6],“對話式”教學(xué)不同于以講解為主的教學(xué),問答和討論是其主要教學(xué)活動形式,教師的作用在于創(chuàng)設(shè)平等、自由的對話環(huán)境,引導(dǎo)學(xué)生思考與交流,并適時予以引導(dǎo)和啟發(fā)。“對話式”教學(xué)的對話既包括教師與學(xué)生之間的對話,也包括學(xué)生與學(xué)生之間的對話,它在本質(zhì)上是一種促使學(xué)生“在與情境對話中建構(gòu)知識”的教學(xué)范式。

在教學(xué)過程中,要注重知行合一的價值取向、走向雙主體關(guān)系和互動對話關(guān)系,提倡師生在教學(xué)過程中的雙向交互,形成一種平等合作關(guān)系。教學(xué)活動要盡可能讓學(xué)習(xí)者有更多的參與、自主和話語空間,使學(xué)習(xí)者擁有“對話的位置”,激活師生之間的對話關(guān)系,并激發(fā)學(xué)生的研究興趣。

對于教學(xué)過程的具體實施,文獻[7]提出應(yīng)當(dāng)適應(yīng)教學(xué)對象,分層教學(xué)目標(biāo)實施教學(xué);精心設(shè)計教學(xué)大綱,合理安排教學(xué)內(nèi)容;同時要結(jié)合不同教學(xué)方式,提高教學(xué)效果。文獻[8]討論了學(xué)習(xí)環(huán)境的理論基礎(chǔ)。下面以事件驅(qū)動的采樣模式為例說明如何實現(xiàn)對話式教學(xué)并激發(fā)學(xué)生的研究興趣。

對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)而言,傳感器事件驅(qū)動是一種新的采樣模式,教師要引導(dǎo)學(xué)生考慮該采樣模式的優(yōu)缺點,系統(tǒng)建模及實現(xiàn)過程中會遇到哪些難題。對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)而言,采樣周期越短,系統(tǒng)性能通常越好,而這反過來會增加網(wǎng)絡(luò)負載,甚至引起網(wǎng)絡(luò)擁塞,因此采樣周期需盡可能的小但是又不可太小,合理地確定采樣周期的長度是有十分積極意義的。

若以控制輸入到達執(zhí)行器的時刻為采樣時刻,則為典型的事件驅(qū)動方式,但是,如果控制輸入到達執(zhí)行器立即進行采樣的話,采樣周期的長度是隨機時變的,這為系統(tǒng)建模及性能分析帶來困難。此時可引導(dǎo)學(xué)生考慮如何處理隨機時變采樣周期,若能使得隨機時變采樣周期在有限個數(shù)值間切換,則可很容易地進行系統(tǒng)建模。

若控制輸入到達執(zhí)行器,傳感器則立即采樣或等待一小段時間進行采樣,若控制輸入較長時間未到,也不可無限制地等待,而是等到一個預(yù)先約定的時刻進行采樣,這樣,可以使得隨機時變采樣周期在有限個數(shù)值間切換。

下面分析該采樣模式的優(yōu)缺點。若網(wǎng)絡(luò)空閑,則控制輸入可以在較短時間內(nèi)到達執(zhí)行器,一旦執(zhí)行器收到控制輸入,傳感器或者立即采樣或者等待一小段時間進行采樣,由于采樣周期較短,單位時間內(nèi)有較多的控制輸入可以傳到受控對象,從而改善系統(tǒng)性能,同時該方法保證了網(wǎng)絡(luò)資源的充分利用。若網(wǎng)絡(luò)較忙,則控制輸入需經(jīng)過較長時間到達執(zhí)行器,相應(yīng)的采樣周期也變長,這樣網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)包的數(shù)目減少,從而減小了發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能性。這樣,當(dāng)傳感器采用以上的采樣模式時,既可以保證網(wǎng)絡(luò)資源的充分利用,又可以減小發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能性。事實上,以上方法也有一定的缺點,若網(wǎng)絡(luò)負載在一段時間內(nèi)變化較大,采樣周期的切換也比較頻繁,而這會導(dǎo)致實際系統(tǒng)性能的下降。

教師在進行上述對話式教學(xué)過程中要注意適時地引導(dǎo)學(xué)生考慮現(xiàn)有問題存在的疑點,解決問題的可能方法以及可能會遇到的困難等。

1.3 綜合多種手段,培養(yǎng)創(chuàng)新能力

在教學(xué)模式的構(gòu)建和實施中,創(chuàng)新性學(xué)習(xí)以啟發(fā)式教學(xué)思想為指導(dǎo),以培養(yǎng)學(xué)習(xí)者創(chuàng)新能力、實踐能力和學(xué)習(xí)能力為中心,以探索自主式、討論式、研究式教學(xué)方法為突破口,構(gòu)建以促進學(xué)習(xí)者發(fā)展為宗旨的多樣化教學(xué)模式。創(chuàng)新性學(xué)習(xí)重視自主學(xué)習(xí)和個性化學(xué)習(xí)。

課堂教學(xué)活動存在教師、學(xué)生等主體因素,在學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的過程中,要做到“以學(xué)生為本”,該種培養(yǎng)理念的核心是學(xué)生始終是教學(xué)過程的本體,它主張“全面依靠學(xué)生”,堅持以學(xué)生為主體,充分調(diào)動學(xué)生的積極性、主動性和創(chuàng)造性。課堂教學(xué)活動既存在教師、學(xué)生等主體因素,也存在課程、教材等客體因素,在實際教學(xué)過程中,不但要以自主式、研究式教學(xué)方法為突破口,同時也要合理設(shè)計課程結(jié)構(gòu)及教學(xué)內(nèi)容,實現(xiàn)主、客體因素的有效結(jié)合。

至此,我們已經(jīng)完整的闡述了傳感器采用事件驅(qū)動的采樣模式的問題來源,采樣周期的確定,該采樣模式的優(yōu)缺點。由于現(xiàn)有文獻未研究過類似問題,這就需要教師在教學(xué)過程中充分發(fā)揮學(xué)生的積極主動性,引導(dǎo)他們積極融入到整個問題中,分析解決問題的每個環(huán)節(jié)中可能存在的問題以及如何改進自己思考問題的方式,從而逐步的培養(yǎng)創(chuàng)新意識,同時在這個過程中逐步培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力。當(dāng)然,研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是一個循序漸進的過程,教師需要積極的引導(dǎo)學(xué)生進行創(chuàng)造性思維,學(xué)生要積極主動地融入到問題中去,而高等學(xué)校和社會也需要提供一定的外部環(huán)境,這樣才可以促進研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

2 結(jié)論

研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是整個研究生教育的核心,是國家創(chuàng)新體系中的重要組成部分。在研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)過程中,需要積極地培養(yǎng)研究的創(chuàng)新意識,教師要努力實施對話式教學(xué),使得學(xué)生積極主動地參與到教學(xué)環(huán)節(jié)的每一過程中去,而學(xué)生也要在教師的指導(dǎo)下,融入到從問題提出到解決問題的每個環(huán)節(jié)中。同時,高等學(xué)校與社會也要進行積極合作,通過對社會資源的整合利用來解決研究生創(chuàng)新培養(yǎng)中的問題,真正提高研究生的創(chuàng)新能力。

參考文獻:

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

[2] 張宇紅.自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計[J]. 黑龍江高教研究,2006, (12): 160-161.

[3] 孫玲芳,李賀,陳思光. 整合社會資源,提高研究生創(chuàng)新能力[J]. 江蘇科技大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版),2008,8(2):99-101.

[4] Yu-Long Wang and Guang-Hong Yang. H∞ controller design for networked control systems via active varying sampling period method [J]. Acta Automatica Sinica, 2008, 34(7): 814-818.

[5] 時偉. 大學(xué)教學(xué)的學(xué)術(shù)性及其強化策略[J]. 高等教育研究,2007,28(5):71-75.

[6] 王菊,王晶.“對話式”教學(xué)與高校研究性教學(xué)的構(gòu)建[J]. 遼寧教育研究,2007,(1):79-81.

[7] 李筠. 《數(shù)字信號處理》雙語課程分層次教學(xué)的探討[J]. 光學(xué)技術(shù),2007, 33(Suppl):295-298.

[8] [美] D·喬納森. 學(xué)習(xí)環(huán)境的理論基礎(chǔ)[M]. 鄭太年,任友群,等,譯. 上海:華東師范大學(xué)出版社,2002:2.