現(xiàn)代控制理論緒論課教學(xué)探討

王居鳳

摘 要：現(xiàn)代控制理論是高等院校自動(dòng)化、控制等相關(guān)專業(yè)的必修課程之一，緒論課是整個(gè)教學(xué)的先導(dǎo)，具有非常重要的作用。通過三個(gè)方面就如何上好現(xiàn)代控制理論緒論課做探討。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代控制理論；緒論課；教學(xué)

現(xiàn)代控制理論是高等院校自動(dòng)化、控制等相關(guān)專業(yè)必修的基礎(chǔ)課程，該門課比較抽象、理論性比較強(qiáng)，會(huì)用數(shù)學(xué)中的“代數(shù)”“常微分方程”“矩陣”等相關(guān)的數(shù)學(xué)知識(shí)，有些學(xué)生認(rèn)為該課程有些乏味，不是很重視，從而影響了后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。緒論課對(duì)學(xué)生有先入為主的作用，對(duì)整個(gè)課程有引導(dǎo)的作用。作為現(xiàn)代控制理論教師，在第一堂課上如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，如何調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生快速地明白這門課學(xué)什么，顯得非常重要。本文從如何上好現(xiàn)代控制理論緒論課做些探討。

一、介紹現(xiàn)代控制理論的起源與發(fā)展

經(jīng)典控制理論考慮的對(duì)象比較簡單，對(duì)象為單輸入單輸出、線性、時(shí)不變系統(tǒng)；使用圖形化方法，從而依賴于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)；不能具有處理多目標(biāo)，不能揭示系統(tǒng)的內(nèi)部特性。

面對(duì)日益復(fù)雜的對(duì)象和不斷提高的控制性能要求，控制理論由經(jīng)典控制理論向現(xiàn)代控制理論轉(zhuǎn)變。20世紀(jì)50年代中期空間技術(shù)迅速興起推動(dòng)了現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，1956年，蘇聯(lián)龐特里亞金提出了極大值原理并發(fā)表了《最優(yōu)過程的數(shù)學(xué)理論》，同年，美國的貝爾曼發(fā)表了《動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論在控制過程中的應(yīng)用》，給出了最優(yōu)動(dòng)態(tài)規(guī)劃法，從而建立了最優(yōu)控制的理論基礎(chǔ)；1960年，美國的卡爾曼與美國布什幾乎在同一時(shí)期內(nèi)引入狀態(tài)空間法分析系統(tǒng)，提出了能控性、能觀性、卡爾曼濾波等概念及相關(guān)理論，奠定了現(xiàn)代控制理論的基礎(chǔ)并標(biāo)志著現(xiàn)代控制理論的形成。在工業(yè)生產(chǎn)、航空技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展下，現(xiàn)代控制理論也在不斷地發(fā)展，并取得了很多成績，比如人造地球衛(wèi)星的發(fā)射、登陸月球等等。

二、現(xiàn)代控制理論的特點(diǎn)及本課程的內(nèi)容

現(xiàn)代控制理論是建立在經(jīng)典控制理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，他的特點(diǎn)就是用狀態(tài)空間模型描述對(duì)象，適用于多輸入多輸出、時(shí)變與非線性系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)控制。

本課程主要內(nèi)容是：狀態(tài)空間模型；基于狀態(tài)空間模型的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析、能控性、能觀性、穩(wěn)定性；基于狀態(tài)空間模型的極點(diǎn)配置、穩(wěn)定化控制器設(shè)計(jì)、觀測(cè)器設(shè)計(jì)、二次型最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)。

三、現(xiàn)代控制理論的學(xué)習(xí)意義

現(xiàn)代控制理論可應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中，例如計(jì)算機(jī)、電機(jī)與機(jī)械、檢測(cè)技術(shù)、通訊、交通運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)、資源開發(fā)經(jīng)濟(jì)。為增加趣味性，舉幾個(gè)實(shí)際例子。

例1.離心調(diào)速器

圖中有兩個(gè)飛球，球轉(zhuǎn)起來后，因離心力的作用，飛球往外脹。飛球脹開后，套筒就往上升，由于套筒在移動(dòng)，所以帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。這就是瓦特設(shè)計(jì)的離心調(diào)速器。

例2.要求：設(shè)計(jì)控制器，使得系統(tǒng)是穩(wěn)定的，具有一定過渡過程特性，且擾動(dòng)下，系統(tǒng)輸出能跟蹤參考輸入。

現(xiàn)代控制理論是一門關(guān)于自動(dòng)化、控制專業(yè)的非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。學(xué)好《現(xiàn)代控制理論》可以為今后學(xué)習(xí)專業(yè)課及工程實(shí)踐打下良好的基礎(chǔ)。

現(xiàn)代控制理論的緒論課是整門課教學(xué)的第一課，緒論教學(xué)使學(xué)生能快速對(duì)這門課的學(xué)習(xí)內(nèi)容，整本教材的結(jié)構(gòu)有一個(gè)大概了解，緒論課將影響到學(xué)生對(duì)這門功課的學(xué)習(xí)，所以緒論課是非常重要的。

參考文獻(xiàn)：

[1]俞立.現(xiàn)代控制理論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2]劉豹.現(xiàn)代控制理論[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2006

[3]張嗣瀛，高立群.現(xiàn)代控制理論[M].清華大學(xué)出版社，2006.

（作者單位 中國計(jì)量學(xué)院數(shù)學(xué)系）