基于便攜式倒立擺平臺的現代控制理論教學改革初探

潘俊濤++劉芳++張白++韋海成

摘 要 針對目前現代控制理論課程教學中存在的理論與實踐相脫節，課程知識概念抽象、難以理解等問題，引入任務驅動法教學理念，將便攜式倒立擺的建模、分析、設計及控制實現貫穿于整個課程教學中，從而激發學生主動學習熱情。該教學方法具有較好的操作性，教學效果良好。

關鍵詞 便攜式倒立擺；現代控制理論；任務驅動法

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）24-0018-03

Educational Reform for Modem Control Theory based on Por-table Inverted Pendulum//PAN Juntao， LIU Fang， ZHANG Bai， WEI Haicheng

Abstract This paper presents a teaching reform method in view of the existing problems among curriculum of modem control theory. With idea of task-driving， the modeling， analysis and control of por-

table inverted pendulum are introduced in the whole teaching process

which effectively inspiring students passion. The proposed method is workable which yields excellent teaching results.

Key words portable inverted pendulum； modem control theory； task-

driving

1 前言

自動控制技術是衡量一個國家現代化發展程度的重要指標之一。所謂自動控制，是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（控制器），使機器、設備或生產過程（被控對象）的某個工作狀態或參數（被控量）自動地按照預定的規律運行[1]。作為當前信息技術領域的重要內容之一，自動控制技術在現代科學技術的眾多領域起著越來越重要的作用。時至今日，在生產、軍事、管理、生活等各個領域，隨處可見自動控制的身影。

隨著國家現代化進程的不斷深入，全社會對自動控制技術人才的需求量也日益增長。為此，全國各高校相繼設立自動化專業，以期為社會培養具有一定工程素質，掌握自動化學科基本理論和應用技術的自動控制技術人才。同時，各高校根據自身的辦學定位，制訂諸多特色鮮明的自動化專業人才培養方案。需要指出的是，各高校自動化專業人才培養方案雖有一定的差別，但都會把現代控制理論課程作為其課程體系中不可或缺的核心內容[2-4]。

北方民族大學作為一所委屬民族院校，根據旨在服務我國少數民族和民族地區經濟社會發展的辦學目的，培養優秀少數民族人才的辦學定位，針對高年級自動化專業的學生開設了48課時的現代控制理論課程，其中理論課時數為40，實驗課時數為8。該課程在教學要求上對高等數學、線性代數、大學物理等數理基礎課程有較強的依賴，并且課程中的抽象概念繁多，加之民族院校學生基礎薄弱，使得學生在學習過程中普遍感覺吃力。此外，課程實踐課時數少，在一定程度上限制了對學生創新實踐能力和工程素養能力的培養。因此，如何在國家高等教育改革的新形勢下，高質量地完成現代控制理論課程的教學任務，并培養出具備一定工程素養的合格自動化專業技術人才，是擺在任課教師面前亟待解決的重要難題之一。

本文以北方民族大學自動化專業開設的現代控制理論課程為背景，針對當前課程教學過程中普遍存在的問題，在課程教學中引入便攜式倒立擺實驗平臺，并在該平臺下提出一種以任務驅動法[5]為核心思想的控制理論類課程教學改革方法，以改善現有現代控制理論課程的教學效果，在夯實自動控制理論知識基礎的同時，進一步加強學生實踐創新能力和工程素養的培養。

2 課程特點及教學現狀分析

課程特點 現代控制理論是北方民族大學自動化專業人才培養方案中開設的一門重要的專業課程。該課程以狀態空間為核心，培養學生分析和設計一般自動控制系統的能力。鑒于學校地處西部偏遠地區，綜合考慮區域性學科發展，民族院校人才培養、教育科研的特點，將現代控制理論的教學目標定為了解自動控制的基本原理，掌握多輸入多輸出控制系統的建模方法，具備一定運用基本數理知識和MATLAB輔助設計軟件對控制系統進行分析與設計的能力。相比其他專業課程，該課程具有如下特點。

1）課程理論性強。控制理論類課程是一類理論性很強的專業課程。其主要目的是培養學生運用書本知識定性、定量分析與設計一般控制系統的基本能力。課程教學內容對高等數學、線性代數、大學物理、復變函數、電路原理、模擬電子基礎、數字電路邏輯設計等基礎課程有較強的依賴，這就要求學生在課程的學習過程中必須具備一定的數、理、電三方面的基本知識。

2）課程知識概念抽象。由于控制理論類課程是以數理知識為基礎的，因此，課程所涉及的許多重要控制概念，如系統穩定性、能控性、能觀性、魯棒性等，都以數學形式給出，致使相當一部分學生在學習理解掌握課程內容上較為吃力。

課程教學現狀分析

1）學生基礎薄弱。作為一所民族院校，有相當一部分比例的學生來源于邊疆少數民族地區和邊遠貧困地區，基礎較弱。因此，在學習控制理論類課程的時候，學生很難對該課程涉及的數理基礎知識及抽象的課程概念做到基本的掌握，從而一定程度上增加了學生對該課程學習的難度，學習積極性不高，學習興趣降低。

2）重理論輕實踐，理論教學和實踐教學脫節。作為一所應用型本科院校，教學的指導思想是讓學生在學完課程之后能夠很快地將所學知識應用到實踐中去。目前學校雖然對自動化專業的控制理論類課程配套了相關的實驗學時，但由于學時數少，且實驗內容也僅僅停留在對理論知識的簡單驗證。這樣的實踐環節往往不能取得良好的效果，也一定程度上影響了對整體課程理論知識的把握，無法充分利用有限的實踐機會加深理解專業理論，從而使得理論教學和實踐教學脫節。

綜上所述，為了進一步改善控制理論類課程教學效果，培養具備一定工程素養的自動化技術人才，針對控制理論類課程教學內容、教學方法的改革探索勢在必行。

3 課程教學改革

鑒于控制理論類課程特點及其教學現狀，該門課程的教學不僅要夯實學生的理論基礎，而且要培養學生的工程素養。倒立擺系統是一種從工程實際中抽象出來的控制模型，是一個絕對不穩定的控制系統，其高階次、強耦合、多變量等特性，使得對它的控制極富有挑戰性。目前，國內外的控制實驗中心均普遍將其作為控制算法驗證的實驗平臺。

有鑒于此，本文以“便攜式倒立擺”為載體，圍繞該平臺，設置一系列“任務”，并將其穿插在控制理論類課程的教學過程中，探索基于任務驅動法的控制理論類課程改革新方法。

不同于傳統倒立擺實驗平臺，便攜式平臺的便攜性和易維護性打破了現有實驗場地的空間約束，方便地將“實踐”教學環節引入課堂，借此拉近理論與實踐的距離，克服傳統教學中重理論輕實踐、知行分離的弊端。此外，其特有的USB通信方式，可使學生非常方便地利用自己的筆記本電腦將課堂知識應用于實際控制設備，無形中開放了“實驗室”。如此，課程實踐教學環節不再受時間、場地的限制，且易于維護。這不僅最大程度上增大了實驗設備的利用率，更建立了學生對理論性課程教學的興趣，在“授之以魚”的過程中“授之以漁”。

受篇幅限制，本文以系統建模為例，圍繞倒立擺系統，設置“建立便攜式倒立擺系統數學模型”教學任務，并將該任務貫穿于課程“動態系統的狀態空間描述”的教學中。

眾所周知，系統建模是學習控制理論類課程的第一環節，也是分析和設計控制系統的前提條件。受學時限制，現有教學方法僅僅以簡單電路系統或機械系統為例，在理想情況下說明數學建模的過程和方法。然而在工程實際中，建立一個系統的數學模型絕非易事，要經歷一個復雜的過程。在國家推行“卓越工程師教育培養計劃”的形勢下，非常有必要讓學生在課程學習過程中親歷這一建模過程。

首先讓學生熟悉認識便攜式倒立擺系統的結構及控制原理，然后運用“數、理、電”三方面的知識去分析對象的機理特性，并要求學生利用自身現有知識，并輔以相關文獻資料，推導出系統數學模型的“雛形”。一般而言，推導出來的數學模型往往是非線性的，這使得學生無法利用課程知識去解決其控制問題。面對這樣的問題，課程引入線性化的理論知識，此時學生需要建立理論知識與實際控制問題的聯系，如尋找倒立擺系統的平衡點，如何在平衡點附近進行線性化，從而理解局部線性化、系統平衡點等知識概念。只有經歷這樣一個過程，學生才能抓住系統數學建模的本質及核心。

在線性模型的基礎上引入系統狀態空間描述的知識概念。依據往年教學經驗，學生對“動態系統狀態空間描述”中的“狀態”的理解一直是現代控制理論課程教學的難點。在建立便攜式倒立擺數學建模過程中，涉及的各個“狀態”都是明確的物理量，學生對此抽象概念理解起來十分方便。此外，為進一步說明狀態空間描述的不唯一性，要求學生圍繞便攜式倒立擺，選用不同的狀態（或狀態組合）建立其狀態控制表達式，并以此模型，展開后續的課程學習。

同樣的，在系統性能分析，控制器設計、MATLAB仿真設計等部分的教學中均可以“便攜式倒立擺控制系統”為平臺，設置一些相應的教學任務，從而使學生易于理解課程中的抽象概念，提高學生主動思維能力，拓展學生的動手實踐能力，提高學生的就業競爭力。

4 結語

隨著自動化技術廣泛應用于居民生產生活的各個領域，控制理論類課程也受到信息技術類專業學生的青睞。本文結合民族院校特色，針對北方民族大學自動化專業控制理論類課程特點及教學現狀，以便攜式倒立擺控制系統為平臺，基于任務驅動法，對其教學內容、教學方法進行了改革探索，教學效果良好。

參考文獻

[1]鄒伯敏.自動控制理論[M].北京：機械工業出版社，

2010.

[2]潘雙來，邢麗冬，胡壽松.信號、系統與控制課程群建設[J].電氣電子教學學報，2004，26（6）：24-26.

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[4]曾慶軍，徐紹芬，韋中利.自動化專業控制類課程群實驗教學改革[J].實驗室研究與探索，2006，25（5）：632-634.

[5]蔣信芳.任務驅動法在《機械設計基礎》課程中的應用[J].科技資訊，2016（2）：159-160.