“抗干擾控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：從概念到實(shí)際”課程教改初探

喬建忠 余翔 張霄

摘 ?要 結(jié)合自動控制學(xué)科專業(yè)特點(diǎn)，針對教學(xué)過程中存在的理念落后、課堂形式陳舊、學(xué)生主觀能動性調(diào)動不足、考核方式缺乏以實(shí)踐為導(dǎo)向等問題，依托工程實(shí)踐案例，以抗干擾作為理論聯(lián)系實(shí)際的切入點(diǎn)，革新授課理念，改良授課形式，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造性，培養(yǎng)學(xué)生從“理科思維”到“工科思維”的轉(zhuǎn)變，有效地提升該課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 自動控制課程;抗干擾控制系統(tǒng);研究生;數(shù)學(xué)工具

中圖分類號：G642.3 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）17-0084-03

1 前言

“抗干擾控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：從概念到實(shí)際”課程的開設(shè)目的是通過介紹基于干擾觀測器的抗干擾控制技術(shù)和復(fù)合分層抗干擾控制技術(shù)的方法實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用情況，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)經(jīng)典控制與現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)知識，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，為從事控制理論與控制工程領(lǐng)域的學(xué)習(xí)和工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本課程開設(shè)的初衷是希望解決現(xiàn)有自動控制課程教學(xué)中理論與實(shí)踐脫節(jié)的問題，為學(xué)生在基礎(chǔ)理論知識學(xué)習(xí)與工程實(shí)踐應(yīng)用之間鋪設(shè)一座橋梁。

2 自動控制課程教學(xué)中存在的問題

自動控制課程缺乏以實(shí)際應(yīng)用作為落腳點(diǎn) ?目前，我國自動控制課程的設(shè)置主要遵循控制理論的歷史發(fā)展軌跡，從19世紀(jì)的經(jīng)典控制理論，到20世紀(jì)中葉的現(xiàn)代控制理論，再到20世紀(jì)末21世紀(jì)初逐步發(fā)展起來的智能控制。教材通常從實(shí)際中常見的反饋控制系統(tǒng)入手，理論由淺顯走向深入，逐步引入矩陣?yán)碚摗⑽⒎址匠?、?fù)變函數(shù)等先進(jìn)數(shù)學(xué)工具[1]。這種課程設(shè)計(jì)的方式符合自動化專業(yè)本科生及研究生的認(rèn)知規(guī)律，也符合科研人員的研究路線。但是，自動控制歸根到底是一門實(shí)踐科學(xué)，學(xué)生所學(xué)的理論知識需要付諸應(yīng)用，并在實(shí)踐中鞏固、完善、升華，而當(dāng)下自動控制課程教學(xué)明顯存在“深入有余、淺出不足”的弊端：通常，學(xué)生掌握了自動控制理論中所涉及的先進(jìn)數(shù)學(xué)工具，卻無法靈活運(yùn)用它們?nèi)ヌ幚懋?dāng)初引入這些工具所要解決的實(shí)際工程問題。不少學(xué)生反映，自動控制理論曲高和寡，不再是一門實(shí)踐科學(xué)，而是淪為象牙塔里的數(shù)學(xué)游戲，這已經(jīng)明顯背離了這門學(xué)科產(chǎn)生的初衷[2]。

課程未能突出控制工程實(shí)踐中的主要矛盾 ?理論與實(shí)踐之間的鴻溝，主要體現(xiàn)在理論研究人員和工程師之間的視角不同。理論研究人員關(guān)注的是數(shù)學(xué)上的完備性、公式的簡潔性和正確性以及相比于現(xiàn)有理論結(jié)果的新穎性，而工程師更加關(guān)注的是經(jīng)濟(jì)效益、運(yùn)行成本、工程實(shí)現(xiàn)的便捷性、系統(tǒng)的可靠性和安全性等。通常，我國的研究生經(jīng)歷了漫長的校園生涯和應(yīng)試教育，在數(shù)學(xué)、物理方面的理論基礎(chǔ)十分牢固，且養(yǎng)成追求理論結(jié)果的完備性和正確性的習(xí)慣，其視角與理論研究人員較為接近。然而，對于自動控制專業(yè)的研究生，需要培養(yǎng)他們從“理科視角”向“工科視角”的轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)有自動控制課程追求理論的正確性和嚴(yán)謹(jǐn)性，這本無可厚非，但問題在于，缺乏了工程實(shí)踐案例作為支撐，學(xué)生往往無法抓住工程實(shí)踐中的主要矛盾，難以將艱澀的數(shù)學(xué)符號與龐大復(fù)雜的控制系統(tǒng)建立聯(lián)系，導(dǎo)致在面對實(shí)際問題時(shí)舉手無措。

考核指標(biāo)陳舊，不利于學(xué)生發(fā)揮主觀能動性 ?現(xiàn)有自動控制課程通常采用傳統(tǒng)的期末考試的形式對學(xué)生的知識掌握程度進(jìn)行考核，這種“教師出題、學(xué)生做題”的考核方式適于檢驗(yàn)學(xué)生的理論知識的系統(tǒng)性和正確性，但無法反映出學(xué)生解決實(shí)際工程問題的能力。事實(shí)上，自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)往往不是照本宣科、一成不變的，它需要學(xué)生充分運(yùn)用所學(xué)理論知識，結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)，發(fā)揮主觀能動性和創(chuàng)造性來解決問題。任務(wù)完成情況也不能僅從理論正確性的角度來評價(jià)，需要根據(jù)實(shí)際工程需求、成本預(yù)算和系統(tǒng)可靠性等多個(gè)角度來綜合衡量[3]。

3 “從實(shí)踐中來、到實(shí)踐中去”的課程設(shè)計(jì)理念和教學(xué)思路

依托工程實(shí)踐案例，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)理論知識的能力 ?課程設(shè)計(jì)理念是以理論聯(lián)系實(shí)際為導(dǎo)向，以實(shí)際工程問題為切入點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)的自動控制理論知識活學(xué)活用。采取啟發(fā)式教學(xué)，通過將課堂授課、問題討論與案例實(shí)踐相結(jié)合的方式開展，課內(nèi)外學(xué)時(shí)比例大體為5：1，要求學(xué)生合作完成案例分析與設(shè)計(jì)，并獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告和課外自習(xí)。

在課堂教學(xué)過程中，以“學(xué)生主體”，進(jìn)行課堂講解與試驗(yàn)相結(jié)合，進(jìn)而提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作、解決實(shí)際工程問題的能力，并且將以研究專題的形式進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)、基于問題的教學(xué)、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)與文獻(xiàn)閱讀等。通過引入自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)踐案例，培養(yǎng)學(xué)生圍繞任務(wù)指標(biāo)制訂解決方案、規(guī)劃任務(wù)解決路線、運(yùn)用所學(xué)理論工具分析系統(tǒng)行為、編程實(shí)現(xiàn)控制算法、結(jié)合系統(tǒng)反饋信息評價(jià)任務(wù)質(zhì)量、對控制系統(tǒng)進(jìn)行迭代優(yōu)化等方面的工程能力。其中，對數(shù)學(xué)工具的合理、靈活運(yùn)用貫穿始終。

工程問題的解決往往不是一個(gè)閉門造車的過程，而是涉及不同技術(shù)人員、環(huán)節(jié)、鏈條之間的溝通與協(xié)調(diào)。為此，在每堂課中都為學(xué)生留出自由思考和討論的時(shí)間，使他們能從彼此的交流中獲得靈感和啟發(fā)，同時(shí)提升總結(jié)自己想法、歸納問題、理解他人想法的能力，并建立以服務(wù)用戶為導(dǎo)向的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念[4]。

以抗干擾為核心，使學(xué)生把握自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要矛盾 ?經(jīng)歷過漫長應(yīng)試教育的研究生往往習(xí)慣于由別人提出問題，而自己只需要解決問題即可。在實(shí)際工程中，面對龐大復(fù)雜的控制對象和往往由非自動控制專業(yè)人士所提出的需求指標(biāo)，自動控制專業(yè)的學(xué)生通常會不知從何下手。因此，本課程抓住控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心問題——抗干擾，引導(dǎo)學(xué)生從“干擾—性能”這一控制系統(tǒng)的主要矛盾出發(fā)，從工程問題中提煉科學(xué)問題，根據(jù)干擾類型和影響的不同，運(yùn)用不同的理論結(jié)果解決問題。以抗干擾為線索，幫助學(xué)生重新梳理控制理論的發(fā)展歷史，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)原本艱澀的各類控制理論實(shí)際上都可以從抗干擾這一角度與實(shí)際工程問題聯(lián)系起來。

在課程教學(xué)中，重點(diǎn)介紹基于干擾觀測器的抗干擾控制技術(shù)和復(fù)合分層抗干擾控制技術(shù)的方法實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用情況，讓學(xué)生了解工程中對高精度控制技術(shù)提供理論基礎(chǔ)和工程解決辦法的迫切需要，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)經(jīng)典控制與現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)知識，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，為從事控制理論與控制工程領(lǐng)域的學(xué)習(xí)和工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過分析航天器、電機(jī)、機(jī)器人等控制領(lǐng)域的常見對象，加深學(xué)生對于干擾的認(rèn)識;剖析最新控制理論文獻(xiàn)中的經(jīng)典抗干擾方法，幫助學(xué)生逐步形成抗干擾控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析思路。從抗干擾這一思路出發(fā)，有助于學(xué)生在解決實(shí)際問題時(shí)迅速抓住主要矛盾，使得理論知識能夠有的放矢。

采用“平時(shí)成績+大作業(yè)”的考核方式，促進(jìn)學(xué)生學(xué)以致用 ?本課程采用結(jié)課報(bào)告提交為主、課堂作業(yè)為輔的考核形式[5]。在每節(jié)課上會為學(xué)生布置課堂作業(yè)，課堂作業(yè)由各學(xué)生獨(dú)立完成或?qū)W(xué)生分成若干小組，每個(gè)小組成員合作完成。課堂作業(yè)主要反映本堂課所涉及的控制對象、控制方法或控制系統(tǒng)，要求學(xué)生在課堂作業(yè)中能夠?qū)⒗碚撝R應(yīng)用到實(shí)際問題的解決中去，并總結(jié)出某一類特定對象、某一類需求或某一類特定問題的設(shè)計(jì)與分析規(guī)律。當(dāng)以小組為單位完成時(shí)，小組成員需要在明確分工的基礎(chǔ)上各司其職，同時(shí)做到相互之間充分交流溝通，共同完成技術(shù)報(bào)告，進(jìn)行設(shè)計(jì)成果演示和口頭答辯等。結(jié)課報(bào)告由每名學(xué)生獨(dú)立完成，內(nèi)容涉及復(fù)雜控制系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)問題。

具體地，學(xué)生被要求針對一類較為復(fù)雜的控制對象，根據(jù)用戶實(shí)際需求，給出“干擾量化—能力分析—抗干擾控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)—系統(tǒng)性能評估與迭代優(yōu)化”全鏈條設(shè)計(jì)方案，從問題提煉能力、解決思路與問題分析能力、任務(wù)品質(zhì)評價(jià)能力等角度綜合衡量學(xué)生的工程實(shí)踐能力，并在期末成績上予以合理體現(xiàn)[6-8]。

4 教學(xué)反饋與效果評價(jià)

教學(xué)效果主要由從學(xué)生能力的提升、學(xué)生提交課程報(bào)告的質(zhì)量、同行授課專家聽課反饋以及學(xué)生導(dǎo)師反饋這四方面體現(xiàn)。筆者發(fā)現(xiàn)，課改之后，學(xué)生對自動控制學(xué)科有了新的認(rèn)識與體會，不再拘泥于書本上的理論知識和公式推導(dǎo)，而是更多地以一名工程實(shí)踐人員的角度看待問題。從學(xué)生提交的課程報(bào)告來看，學(xué)生已經(jīng)具備基本的抗干擾控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，能夠充分利用相關(guān)控制理論知識對系統(tǒng)進(jìn)行行為分析和品質(zhì)分析。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，學(xué)生的主觀能動性被充分調(diào)動起來，提出很多新穎且實(shí)用性強(qiáng)的解決思路和解決方案，效果甚至超出預(yù)期。接受課改教育的學(xué)生紛紛表示，從本課程的學(xué)習(xí)過程中有效提高了自己提煉問題、分析問題、解決問題的工程實(shí)踐能力，對日后走上工作崗位，應(yīng)對更加復(fù)雜的實(shí)際問題起到很大的幫助作用。

5 結(jié)語

隨著自動控制專業(yè)的不斷發(fā)展，學(xué)以致用已成為自動控制學(xué)科設(shè)置的最終目標(biāo)。通過開設(shè)“抗干擾控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：從概念到實(shí)際”這門課程，引入更加先進(jìn)的授課理念和教學(xué)內(nèi)容，能夠充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和解決實(shí)際問題能力，進(jìn)一步滿足了工業(yè)界對自動控制專業(yè)研究生的要求。

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