《現(xiàn)代控制理論》課程的CDIO模式教學(xué)改革

李華雄

摘要：《現(xiàn)代控制理論》是大學(xué)本科自動(dòng)化專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程。針對(duì)《現(xiàn)代控制理論》課程的教學(xué)內(nèi)容與工程應(yīng)用背景，結(jié)合CDIO工程教育理念和教學(xué)實(shí)踐，提出了基于CDIO教育理念的《現(xiàn)代控制理論》課程教學(xué)改革方案，以提高工科自動(dòng)化專業(yè)本科生的實(shí)踐創(chuàng)新能力，為培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)卓越工程師提供了思路和借鑒。

關(guān)鍵詞：《現(xiàn)代控制理論》；CDIO；工程教育；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）25-0117-02

一、引言

《現(xiàn)代控制理論》（Modern Control Theory）是工科自動(dòng)化本科的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，在國(guó)內(nèi)高校自動(dòng)化及相關(guān)專業(yè)中已普遍開(kāi)設(shè)。《現(xiàn)代控制理論》是本科課程《自動(dòng)控制原理》的深化，又是研究生課程《自適應(yīng)控制》、《線性系統(tǒng)理論》、《最優(yōu)控制理論》、《魯棒控制》等專業(yè)課程的基礎(chǔ)[1]。因此，該課程在工科自動(dòng)化專業(yè)課程中具有承前啟后的地位，在工程教育的教學(xué)改革中如何來(lái)提高該課程的教學(xué)質(zhì)量顯得尤為重要[2]。在工程教育研究中，CDIO教育理念模式近年來(lái)受到世界高等教育界的廣泛關(guān)注[3]。CDIO（Conceive，Design，Implement，Operate）是本世紀(jì)初由麻省理工學(xué)院、瑞典皇家工學(xué)院等大學(xué)創(chuàng)立的面向未來(lái)卓越工程師的大學(xué)教學(xué)方法。CDIO教學(xué)方法的思想包括Conceive（構(gòu)思）、Design（設(shè)計(jì)）、Implement（實(shí)現(xiàn)）和Operate（運(yùn)作）四大要素，其強(qiáng)調(diào)工程教育應(yīng)使得學(xué)生對(duì)工程應(yīng)用具有充分把握，發(fā)展面向工程應(yīng)用實(shí)際的綜合能力[4-6]。《現(xiàn)代控制理論》作為一門(mén)典型的工科專業(yè)課程，是培養(yǎng)自動(dòng)化領(lǐng)域未來(lái)卓越工程師必備的基礎(chǔ)核心課程，具有CDIO涉及的工科課程特點(diǎn)，尤其適合開(kāi)展CDIO模式的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作理念課程建設(shè)。

二、工程背景下的現(xiàn)代控制理論教改

鑒于《現(xiàn)代控制理論》的工科特色背景，在教改實(shí)踐中，可以現(xiàn)代控制理論工程應(yīng)用案例為導(dǎo)向，在課堂中引入控制系統(tǒng)構(gòu)思（Conceive-Control systems）、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（Design-Control systems）、控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)（Implement-Control systems）和控制系統(tǒng)運(yùn)作（Operate-Control systems）等內(nèi)容，將CDIO模式教學(xué)思想和方法滲透到課程的各章節(jié)內(nèi)容，形成由學(xué)生“做中學(xué)”的知識(shí)獲取模式。

1.結(jié)合工程實(shí)踐背景，引入CDIO模式教學(xué)方法。根據(jù)CDIO模式注重設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及運(yùn)作的內(nèi)容要求，教師可考慮在保證現(xiàn)代控制理論內(nèi)容的嚴(yán)謹(jǐn)性和完整性的前提下，不求過(guò)多定理的理論推導(dǎo)證明，而是突出問(wèn)題的工程背景和應(yīng)用案例，強(qiáng)調(diào)貫串于各章論述中的控制系統(tǒng)應(yīng)用案例的實(shí)現(xiàn)（例如倒立擺系統(tǒng)、自平衡機(jī)器人系統(tǒng)等案例）。教學(xué)中的理論闡述應(yīng)力求嚴(yán)謹(jǐn)、易懂和簡(jiǎn)練。重點(diǎn)可考慮結(jié)合Matlab控制系統(tǒng)工具箱、Simulink、Automation Studio等自動(dòng)化仿真平臺(tái)及相關(guān)硬件系統(tǒng)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生的工程應(yīng)用的培養(yǎng)，并要求學(xué)生獨(dú)立完成有關(guān)工程案例的Conceive（構(gòu)思）、Design（設(shè)計(jì)）、Implement（實(shí)現(xiàn)）和Operate（運(yùn)作）的過(guò)程（CDIO），以達(dá)到鞏固所學(xué)理論知識(shí)的目的。工程背景下的現(xiàn)代控制理論教改可考慮側(cè)重現(xiàn)代控制理論的工程應(yīng)用背景介紹，結(jié)合Matlab、Automation Studio仿真平臺(tái)展示，讓學(xué)生了解到該課程是分析與設(shè)計(jì)高質(zhì)量和大型復(fù)雜控制系統(tǒng)的工程的理論基礎(chǔ)，同時(shí)應(yīng)了解計(jì)算機(jī)、人工智能等應(yīng)用技術(shù)對(duì)現(xiàn)代控制理論發(fā)展的貢獻(xiàn)。教師在授課時(shí)引入的主題內(nèi)容包括系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述的建立與分析；能控性與能觀性分析；系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與判斷；狀態(tài)反饋與輸出反饋綜合問(wèn)題；最優(yōu)控制問(wèn)題；等等。按照由淺入深的原則首先介紹建立狀態(tài)空間描述的兩種方法，包括“機(jī)理建模法”和“傳函實(shí)現(xiàn)法”。在建立狀態(tài)空間描述后，教師展開(kāi)基于狀態(tài)空間模型的系統(tǒng)分析方法，包括狀態(tài)空間模型求解、能控能觀、穩(wěn)定性分析等。在系統(tǒng)綜合問(wèn)題中，需突出理論與實(shí)際聯(lián)系，并依據(jù)工程控制性能指標(biāo)的不同，介紹常規(guī)系統(tǒng)綜合應(yīng)用與最優(yōu)性能指標(biāo)綜合應(yīng)用。在CDIO模式教改中，這種教學(xué)實(shí)踐可以既使得學(xué)生掌握的知識(shí)具有系統(tǒng)性和連貫性，同時(shí)又面向工程實(shí)踐應(yīng)用。

2.優(yōu)化CDIO實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，提升實(shí)驗(yàn)平臺(tái)層次。在CDIO模式的教改實(shí)踐中，教師可以在講授《現(xiàn)代控制理論》的理論基礎(chǔ)上，重點(diǎn)加強(qiáng)控制系統(tǒng)案例介紹，可基于Matlab和Automation Studio等自動(dòng)化軟件及相關(guān)硬件，以自平衡小車系統(tǒng)作為典型示例，加強(qiáng)CDIO模式下的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)與建設(shè)，提升實(shí)驗(yàn)平臺(tái)層次。倒立擺作為一種控制理論與工程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，是一個(gè)典型的不穩(wěn)定控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定控制可采用多種控制理論方法，具有較強(qiáng)的趣味性，適合學(xué)生使用它來(lái)驗(yàn)證所學(xué)的控制理論。因此，倒立擺設(shè)備是進(jìn)行現(xiàn)代控制理論CDIO模式教改較為理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。根據(jù)倒立擺控制系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)要求，針對(duì)CDIO模式的運(yùn)作能力培養(yǎng)目標(biāo)，我們考慮采取針對(duì)學(xué)生特點(diǎn)的個(gè)性化實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)模式。根據(jù)學(xué)生對(duì)課程知識(shí)掌握的深淺，在尊重學(xué)生個(gè)性、重視學(xué)生主體選擇和個(gè)性差異的基礎(chǔ)上對(duì)學(xué)生進(jìn)行分類。依據(jù)學(xué)生對(duì)倒立擺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平，把學(xué)生分成創(chuàng)新型培養(yǎng)目標(biāo)群體、強(qiáng)化型培養(yǎng)目標(biāo)群體和提升型培養(yǎng)目標(biāo)群體。針對(duì)不同群體的學(xué)生提出倒立擺穩(wěn)定控制的相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)梯度化的實(shí)驗(yàn)考核機(jī)制，實(shí)現(xiàn)不同層次學(xué)生的工程實(shí)踐能力CDIO培養(yǎng)目標(biāo)。

三、CDIO模式下的現(xiàn)代控制理論教改方案

考慮到學(xué)生特點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)，教師可以CDIO模式培養(yǎng)大綱為引導(dǎo)，按照自動(dòng)化專業(yè)本科生《現(xiàn)代控制理論》的培養(yǎng)要求，借鑒信息化和項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、做”一體化的CDIO教學(xué)設(shè)計(jì)。CDIO模式下的《現(xiàn)代控制理論》教改方案具體如下。

1.在教改引入階段。（1）借助Matlab、Automation Studio等自動(dòng)化教學(xué)實(shí)踐平臺(tái)，展示倒立擺穩(wěn)定控制效果，提高學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)《現(xiàn)代控制理論》課程的興趣。（2）介紹課程的主要知識(shí)點(diǎn)，并以Matlab、Automation Studio實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)倒立擺穩(wěn)定控制為實(shí)踐目標(biāo)，讓學(xué)生體會(huì)《現(xiàn)代控制理論》課程主要知識(shí)點(diǎn)的具體任務(wù)和知識(shí)點(diǎn)的相互關(guān)系。（3）依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力差異，按照優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、分工協(xié)作的原則組成研究學(xué)習(xí)小組，并安排倒立擺穩(wěn)定控制仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告及評(píng)價(jià)方式等。

2.在教改深入階段。教師詳細(xì)講授《現(xiàn)代控制理論》的主要知識(shí)點(diǎn)，要求學(xué)生基于Matlab、Automation Studio仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行倒立擺穩(wěn)定控制的設(shè)計(jì)，確定任務(wù)實(shí)施步驟，做好動(dòng)手設(shè)計(jì)準(zhǔn)備。進(jìn)一步來(lái)講，學(xué)生在Matlab、Automation Studio實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上分組設(shè)計(jì)調(diào)試，教師給予指導(dǎo)，使學(xué)生完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

3.在教改評(píng)價(jià)階段。學(xué)生在Simulink、Automation Studio實(shí)驗(yàn)平臺(tái)演示倒立擺控制效果，總結(jié)學(xué)習(xí)內(nèi)容，并形成課程報(bào)告，完成倒立擺穩(wěn)定控制的Conceive（構(gòu)思）、Design（設(shè)計(jì)）、Implement（實(shí)現(xiàn)）和Operate（運(yùn)作）的全過(guò)程。

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Education Reform of "Modern Control Theory" Based on CDIO

LI Hua-xiong

（School of Management and Engineering，Nanjing University，Nanjing，Jiangsu 210093，China）

Abstract："Modern Control Theory" is a professional core course for undergraduate students of automation major. A CDIO-based educational reform program is proposed，which considers both teaching content and application of "Modern Control Theory".The CDIO-based education reform of "Modern Control Theory" is proposed to improve the innovation ability of the undergraduate students in automation major，which provides successful educational experiences to train excellence engineer for related majors.

Key words："Modern Control Theory"；CDIO；engineering education；education reform