“自動控制原理”課程改革思考

李 斌， 黃建明， 謝昭莉， 楊 欣

(重慶大學(xué) 自動化學(xué)院， 重慶 400044)

“自動控制原理”課程改革思考

李 斌， 黃建明， 謝昭莉， 楊 欣

(重慶大學(xué) 自動化學(xué)院， 重慶 400044)

本文從課程結(jié)構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和實驗手段幾個方面探討了“自動控制原理”課程改革的相關(guān)問題。提出課程結(jié)構(gòu)整合、多課程融合的教學(xué)體系、采用問題驅(qū)動和融入科技成果的教學(xué)方式、以及增加自主實物綜合實驗等觀點。目的是探索建設(shè)適應(yīng)形勢發(fā)展的“自動控制原理”課程，更好服務(wù)于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

工業(yè)數(shù)字化；自動控制原理；課程改革

0 引言

自動化專業(yè)基礎(chǔ)課“自動控制原理”傳播系統(tǒng)和反饋的思想，傳授自動控制的頻域法和狀態(tài)空間法知識和系統(tǒng)綜合方法。這些思想和方法正反映了當(dāng)前工業(yè)新浪潮的一個核心要素—系統(tǒng)要素。即把市場、設(shè)計、生產(chǎn)、銷售諸環(huán)節(jié)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化并集成為一個大系統(tǒng)，最大限度地提高生產(chǎn)效率，滿足市場的優(yōu)質(zhì)、快捷和個性化的需求。有鑒于此，“自動控制原理”課程在結(jié)構(gòu)、內(nèi)容、教學(xué)方式、實驗手段等方面應(yīng)有所調(diào)整，使其更加具有系統(tǒng)性，更加突出創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，更加適應(yīng)形勢發(fā)展的需要。

探索“自動控制原理”課程建設(shè)新途徑，既要以自動控制理論發(fā)展規(guī)律為主線，又不固守已有定式，客觀務(wù)實地優(yōu)化、融合“自動控制原理”系列課程內(nèi)容；注重科技成果利用；重視以問題為驅(qū)動的教學(xué)方式；多種實驗建設(shè)方式互補以及增強學(xué)生實踐創(chuàng)新的感受[2]。

通過學(xué)習(xí)前人經(jīng)驗，結(jié)合教學(xué)和教改體會，筆者對上述問題作了一些思考和實踐。

1 課程結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的“自動控制原理”課程按照理論發(fā)展歷史順序，形成了“自動控制原理”、“現(xiàn)代控制理論”兩門課程的結(jié)構(gòu)形式。分別介紹系統(tǒng)、模型、分析和綜合的概念、理論和方法。這樣的結(jié)構(gòu)一方面揭示了理論發(fā)展的進(jìn)程，另一方面也容易產(chǎn)生冗余和知識分割，不利于學(xué)生綜合運用知識能力的培養(yǎng)。最明顯的，例如系統(tǒng)建模知識?！白詣涌刂圃怼苯榻B系統(tǒng)輸入輸出模型；“現(xiàn)代控制理論”介紹系統(tǒng)內(nèi)部模型。兩部分都既有連續(xù)時間模型，又有離散時間模型，這樣造成大量的敘述冗余。同時，也不便于學(xué)生對比歸納及綜合運用的習(xí)慣培養(yǎng)。

近年來，“自動控制原理”、“現(xiàn)代控制理論”兩門課程已有合并的趨勢[2]，在研究型大學(xué)中，我院的“自動控制原理”(54學(xué)時)、“現(xiàn)代控制理論”(52學(xué)時)雖然合并為“自動控制理論”一門課，但學(xué)時未變，仍然按以往的課程結(jié)構(gòu)教學(xué)，未能從根本上解決知識的冗余和分割問題。究其原因，現(xiàn)行的教材就是按此結(jié)構(gòu)編排的，教學(xué)中很難糾正[3]。對此，目前新版的一些優(yōu)秀教材已有所改變。它把系統(tǒng)建模單列兩章敘述，這對解決知識的冗余和分割問題無疑是有益的探索。

根據(jù)以上分析， “自動控制原理”課程結(jié)構(gòu)應(yīng)該實現(xiàn)“自動控制原理”、“現(xiàn)代控制理論”兩門課程知識在系統(tǒng)建模、分析、綜合設(shè)計上全面有機(jī)融合。以最直接的方式讓學(xué)生獲取兩門課程的知識精髓，提高學(xué)生綜合運用知識的能力。對此，有取舍地借鑒文獻(xiàn)[4]的結(jié)構(gòu)編排理念和方法是有益的。

2 課程內(nèi)容

2.1 與最優(yōu)控制和估計的融合

隨著工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化推進(jìn)，自動化涵蓋的領(lǐng)域在不斷拓寬。系統(tǒng)設(shè)計中，單純的穩(wěn)、準(zhǔn)、快已不再滿足實際需求；取而代之的是最優(yōu)控制和決策的設(shè)計目標(biāo)。這從客觀上使自動控制與最優(yōu)控制、最優(yōu)觀測融合。從發(fā)展歷史看，現(xiàn)代控制理論就是源于對最優(yōu)控制的研究，其創(chuàng)新點就在于實現(xiàn)在狀態(tài)空間模型下系統(tǒng)的最優(yōu)控制、最優(yōu)觀測。這是控制理論從單變量向多變變量系統(tǒng)控制的過渡階段，也是人類對系統(tǒng)認(rèn)識從低級向高級發(fā)展中的一次飛躍。狀態(tài)空間模型下的最優(yōu)控制、最優(yōu)觀測成為控制理論基本知識體系。這一體系的思想、方法正成為二十一世紀(jì)控制工程師應(yīng)具備的專業(yè)基礎(chǔ)。這從主觀上提出了自動控制與最優(yōu)控制、最優(yōu)觀測的融合要求。

考慮到這一體系包含龐雜的數(shù)學(xué)知識以及認(rèn)識的循序漸進(jìn)性，傳統(tǒng)的自動控制理論教學(xué)將其分為四門課程來介紹，即“自動控制原理”、“現(xiàn)代控制理論”、“最優(yōu)控制”和儀表專業(yè)的“檢測理論”中的一部分，其中后兩門課為選修課。由于內(nèi)容分散，學(xué)生分散，很難保證這一體系內(nèi)容的連續(xù)性和普及性。

“現(xiàn)代控制理論”課程對多變量系統(tǒng)性能指標(biāo)沒有介紹。而這正是“最優(yōu)控制”首先介紹的內(nèi)容。也正是尋找滿足這一指標(biāo)的控制作用，卡爾曼發(fā)現(xiàn)了由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定的狀態(tài)能控/能觀性問題，形成了現(xiàn)代控制理論的兩個核心概念。在研究隨機(jī)信號最優(yōu)估計時，卡爾曼觀察到系統(tǒng)最優(yōu)控制與最優(yōu)估計問題描述及結(jié)論間的對偶關(guān)系和對偶原理。從而極大簡化了相關(guān)結(jié)論的證明[5，6]。

這表明：現(xiàn)代控制理論要解決的根本問題是如何實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制與系統(tǒng)狀態(tài)的最優(yōu)估計。而系統(tǒng)狀態(tài)能控/能觀性、對偶系統(tǒng)和對偶原理等內(nèi)容是求解最優(yōu)控制與最優(yōu)估計的必然結(jié)果，代表系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征及特征間的關(guān)系，決定著最優(yōu)控制與最優(yōu)估計的存在性。

若以此思路組織“現(xiàn)代控制理論”課程內(nèi)容，而將狀態(tài)空間法建模、系統(tǒng)運動分析內(nèi)容并入“自動控制原理”課程的建模和時域分析部分；最優(yōu)控制與最優(yōu)估計成為“現(xiàn)代控制理論”課程主要內(nèi)容；系統(tǒng)內(nèi)部穩(wěn)定性分析可與“自動控制原理”相關(guān)部分合并，或不動；而能控能觀性、系統(tǒng)綜合等內(nèi)容，就成為最優(yōu)控制與最優(yōu)估計的必然結(jié)果。

這樣以問題為主線實施上述四門課程的重組，會使概念更清晰，接受更自然。在精簡內(nèi)容、消除冗余后，構(gòu)建融“自動控制原理”、“現(xiàn)代控制理論”、“最優(yōu)控制”、“最優(yōu)觀測理論”于一體的本科“自動控制原理”課程是時代的要求。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與普及，實現(xiàn)最優(yōu)控制、最優(yōu)觀測涉及的復(fù)雜計算已不再困難。研究最優(yōu)控制、最優(yōu)觀測與自動控制原理知識的結(jié)合點，根據(jù)課時限制，制定適當(dāng)?shù)娜诤夏繕?biāo)，增加相應(yīng)的數(shù)學(xué)知識附錄，建設(shè)一體化的本科“自動控制原理”課程是可以實現(xiàn)的。它將使本科“自動控制理論”基礎(chǔ)課程教學(xué)更加完整、自然、有效，更具吸引力。

2.2 加深系統(tǒng)各環(huán)節(jié)邏輯關(guān)系描述

系統(tǒng)是具有特定功能的、相互連接相互作用的若干環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合構(gòu)成的一個整體。它的描述包含對各環(huán)節(jié)運動特征的物理描述和對各環(huán)節(jié)連接關(guān)系的邏輯描述，兩種描述結(jié)合構(gòu)成了系統(tǒng)的完整描述。邏輯描述是系統(tǒng)，特別是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)描述的重要組成部分，在工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化中占有重要的地位。

“自動控制原理”課程中的動態(tài)框圖和信號流圖及其化簡一節(jié)就是在介紹系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯描述及邏輯描述與物理描述結(jié)合的技術(shù)，由于課程的重點是系統(tǒng)分析和綜合設(shè)計，對此只是簡單介紹。所用的方法是若干條化簡規(guī)則或梅遜公式及其應(yīng)用。這種介紹方式存在兩方面的不足。①沒有給出化簡的數(shù)學(xué)實質(zhì)，因此只能記憶規(guī)則和公式。簡單說，就是只會用，而無法創(chuàng)造；②不便于計算機(jī)實現(xiàn)。這不符合時代要求。

在適當(dāng)?shù)亩x下，系統(tǒng)的邏輯描述數(shù)學(xué)實質(zhì)就是確定方程組系數(shù)符號矩陣，求方程組解就可得到系統(tǒng)各輸入與輸出間的關(guān)系模型。而梅遜公式[8]就是這組方程解的圖解釋。流行軟件Matlab中函數(shù)connect就是這樣做的。加上append函數(shù)，就能完成復(fù)雜系統(tǒng)建模工作。這種方式簡單直觀，無需記憶，便于計算機(jī)實現(xiàn)。這樣做符合時代要求，不增加課時，本科學(xué)生均能接受。更重要的是，站在系統(tǒng)的角度，在不改變教材內(nèi)容的情況下，控制系統(tǒng)的邏輯描述還能為學(xué)生提供一個實踐創(chuàng)新的機(jī)會。就此，筆者引導(dǎo)學(xué)生研究了算法，添加符號運算功能，完成了對connect函數(shù)的改進(jìn)，增強了建模的功能，特別適合教學(xué)。

將上述實例推廣，在“自動控制原理”課程中,這樣的問題應(yīng)該還有很多，可以作為學(xué)生實踐創(chuàng)新的課題。增加這樣的教學(xué)內(nèi)容，可以使學(xué)生開闊眼界，體會前人在自動控制理論發(fā)展進(jìn)程中所做出的關(guān)鍵創(chuàng)新工作，真正把自動化人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)落到實處。

3 教學(xué)方式

教學(xué)方式表現(xiàn)在教材、教學(xué)計劃、課時安排、講述形式等諸方面?，F(xiàn)行“自動控制原理”教學(xué)方法中有以下幾方面可以探討。

3.1 問題為驅(qū)動

將理論和工程實際問題結(jié)合是一種很好的教學(xué)方式。一方面可使學(xué)生了解工程實際問題，領(lǐng)略控制理論在解決工程實際問題的意義，又能明確理論發(fā)展脈絡(luò)和關(guān)鍵創(chuàng)新點。然而，在“自動控制原理”教材中，除建模一章有幾類實際工程模型外，其余各章很少見到，代之以傳遞函數(shù)、微分方程、狀態(tài)空間描述等數(shù)學(xué)形式，也無背景描述。經(jīng)過一系列的推導(dǎo)、求解計算，得到理論上認(rèn)為很好的結(jié)果，但物理意義無從得知。采用這樣的方式教學(xué)教師無熱情，學(xué)生也無興趣，達(dá)不到理論和實際結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目的。

要以理論和工程實際問題結(jié)合作為教學(xué)驅(qū)動，就應(yīng)該在教材各章正文及習(xí)題中盡量增加有明確物理意義的實際工程例子和問題，減少沒有物理背景的問題。在綜合設(shè)計的章節(jié)更應(yīng)如此。這樣有的放矢的教學(xué)方式才能使理論推導(dǎo)不枯燥，求解計算很主動，控制效果很明了。只有讓學(xué)生以這樣的方式不斷地體會理論在解決實際工程問題中的作用，才能最大限度調(diào)動起他們的學(xué)習(xí)積極性與主動性，培養(yǎng)起理論聯(lián)系實際的習(xí)慣；才能激發(fā)出他們創(chuàng)新的活力。

3.2 科技成果在教學(xué)中的運用

當(dāng)代計算機(jī)技術(shù)，已滲透到人類生活的各個方面。在“自動控制原理”課程教學(xué)中廣泛使用的Matlab軟件，已成為自動化專業(yè)學(xué)生必備的工具。實際上，還有很多軟件可以使用，例如：Multisim是電子線路流行的設(shè)計仿真軟件，“模擬電路”、“數(shù)字電路”課程教授了Multisim軟件的使用方法。在“自動控制原理”課程教學(xué)中，完全可以用它提供相當(dāng)真實的控制系統(tǒng)仿真。這樣既彌補了課程教學(xué)中系統(tǒng)實例不足的缺陷，又鞏固了相關(guān)課程的知識。

移動互聯(lián)突破了時空的限制，拉近了人與人間的距離，擴(kuò)大了人類的交流。在此情形下，“自動控制原理”課程教學(xué)是固守課堂傳授，還是與便捷的互聯(lián)傳遞相結(jié)合，形成強大的新型教學(xué)方式？這是值得探討的又一問題。師生間通過移動互聯(lián)高效交流，答疑、習(xí)題布置、仿真大作業(yè)、問題討論都可通過互聯(lián)進(jìn)行。未來移動互聯(lián)將改變現(xiàn)有的教學(xué)方式。

人的時間和精力是有限的，有效和充分利用現(xiàn)有科技成果能加快學(xué)生獲取知識的速度，擴(kuò)展他們的視野，增強其能力。

4 實驗手段

通?！白詣涌刂圃怼睂嶒炚n的做法是：一臺模擬實驗箱，一本“自動控制原理”實驗指導(dǎo)書，能完成全部12個左右的實驗。作為基礎(chǔ)驗證性實驗，這無疑是一種簡捷、便于普及的實驗手段。但由于實驗電路，操作方法等都是設(shè)計好的，學(xué)生完全失去主動性。造成實驗前學(xué)生不預(yù)習(xí)，實驗中學(xué)生大部分時間用來做記錄，實驗后的報告千篇一律。顯然，這樣不能達(dá)到“自動控制原理”實驗課的培養(yǎng)目的。為改變這種狀況，如下措施值得探討。

4.1 合理安排、增加實物綜合性實驗

“自動控制原理”實驗由三類實驗構(gòu)成：驗證性實驗、設(shè)計性實驗和實物綜合性實驗。驗證性實驗和設(shè)計性實驗的一部分可以用模擬實驗箱開設(shè)，另一部分用Matlab仿真完成。而實物綜合性實驗接近工程實際。完成實驗需要多門課程知識的綜合，對學(xué)生最具吸引力。這樣的實驗，對學(xué)生解決實際問題的能力、理論聯(lián)系實際習(xí)慣和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)至關(guān)重要。因此，應(yīng)該增設(shè)或增加實物綜合性實驗。

實現(xiàn)實物綜合性實驗存在的主要問題是：可供實驗用的實物對象種類少，價格高，自制困難。隨著人們對實物綜合性實驗重要性認(rèn)識的提高，這種狀況已有所改善。市場上也出現(xiàn)了一批性價比高，操作性強的實物對象。

自制實物對象和實驗系統(tǒng)是一種很好的實現(xiàn)實物綜合性實驗方法。筆者引導(dǎo)學(xué)生自制的磁懸浮計算機(jī)控制系統(tǒng)，成本只有幾十元/臺。而實驗室外購的磁懸浮控制實驗系統(tǒng)，三萬多元/臺。兩相對比，外購設(shè)備價格昂貴，實驗中學(xué)生按指導(dǎo)接線操作，失去主動性；由于臺數(shù)少，受益面非常有限。自制的磁懸浮計算機(jī)控制系統(tǒng)價格低，不僅可供學(xué)生實驗用，學(xué)生還可親歷工程設(shè)計、安裝、調(diào)試的全過程，讓學(xué)生有強烈的成就感，讓知識的力量在他們的心靈產(chǎn)生震撼，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為他們求知的渴望，創(chuàng)新的動力。而這些效果是外購設(shè)備難以做到的。

4.2 口袋實驗室

總結(jié)開發(fā)自制磁懸浮計算機(jī)控制系統(tǒng)工作，筆者認(rèn)為，把自動化專業(yè)本科的電子安裝實習(xí)與“自動控制原理”實驗兩個教學(xué)環(huán)節(jié)有機(jī)集成是實現(xiàn)實物綜合性實驗的最佳途徑之一。

以筆者自制的計算機(jī)控制的磁懸浮系統(tǒng)為例，首先，選擇適宜的實物對象，利用電子安裝實習(xí)教學(xué)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生安裝、調(diào)試實物對象控制系統(tǒng)。并以調(diào)試通過作為考核標(biāo)準(zhǔn)，保證結(jié)束教學(xué)時，學(xué)生人手一臺合格的自制實物綜合性實驗裝置?！白詣涌刂圃怼睂嶒灂r，就用這自制實驗裝置完成實驗任務(wù)。由于本實驗是計算機(jī)控制，調(diào)整程序就可改變控制器性能，改變控制效果，實現(xiàn)多種實驗算法。本實驗的被控對象：磁鋼片,2g重，一分硬幣大小；執(zhí)行器：空心線圈,1200匝，高2cm，Ф6cm；控制器：51開發(fā)板。由于該實物的體積小、重量輕、便于攜帶。學(xué)生可以將其帶在身邊，使教室、宿舍、家中都可成為實驗室，隨時隨地可做實驗。徹底打破時空限制，既緩解了實驗資源短缺的困境，又讓學(xué)生體會到“學(xué)中玩，玩中學(xué)”的樂趣，最大限度地挖掘他們的學(xué)習(xí)潛力。這就是當(dāng)前正逐漸興起的口袋實驗室，也是未來實驗室建設(shè)的一個重要方面。

5 結(jié)語

綜上所述，將“自動控制原理”、“現(xiàn)代控制理論”、“最優(yōu)控制”和“最優(yōu)估計”集成為最佳的知識體系，形成新的“自動控制原理”課程；以理論和工程實際問題結(jié)合為教學(xué)驅(qū)動力，擴(kuò)大和增加軟件在“自動控制原理”課程教學(xué)中的運用，讓學(xué)生成為科技成果的受益者；合理安排實驗，增加實物綜合實驗有助于改變“自動控制原理”實驗的現(xiàn)狀；自制實物綜合性實驗裝置可實現(xiàn)柔性的口袋實驗室，打破實驗的時空限制，實現(xiàn)真正意義上的自主實驗。凡此種種，目的就是為建設(shè)適應(yīng)形勢發(fā)展的“自動控制原理”課程，更好的服務(wù)于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

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Exploration for Curriculum Reform of Principles of Automatic Control

LI Bin, HUANG Jian-ming, XIE Zhao-li, YANG Xin

(SchoolofAutomation，ChongqingUniversity，Chongqing400044,China)

This paper, from the aspects of course structure, course contents, teaching methods and experimental methods, investigates the correlative issues of reform of Principles of Automatic Control curriculum. For course structure integration, teaching system of integrating multiple curricula as one, problem-driven, using scientific and technological achievements to the teaching, increaseing autonomy comprehensive experiments, some points of view are proposed in the paper. The purpose is to explore the curriculum construction of Principles of Automatic Control to adapt to the development of the situation and to better serve to develop the innovation ability of students.

industrial digitalization; principles of automatic control; curriculum reform

2015-08-7;

2016-01- 14

重慶大學(xué)教學(xué)改革研究項目：“新型自動控制原理課程體系研究”(2013Y04)。

李 斌(1958-)，男，博士，副教授，主要從事自動控制理論教學(xué)及導(dǎo)航制導(dǎo)研究工作，E-mail：lzbymcqc@sohu.com

G642.0

A

1008-0686(2016)03-0041-04