“網絡化控制系統”課程的教學探索

萬雄波　張傳科

摘要：本文分析了我校研究生選修課程“網絡化控制系統”的特色，給出了基于不同主線的兩種教學內容安排方式。針對選課學生的具體特點，包括研究方向，基本技能，興趣愛好等，分析了如何充分發揮這兩種教學內容安排方式的優點，提出更合理的教學內容安排方式，以調動學生學習積極性，并提高教學效果。指出未來探索的新方向。

關鍵詞：網絡化控制系統；教學內容安排；網絡誘導現象；建模方法

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）50-0116-02

隨著網絡技術的飛快發展，網絡化控制系統在移動傳感器網絡、遠程手術、智能交通、航空航天等各領域都得到了廣泛應用[1]。網絡化控制系統是指用數字通信網絡實現分布在不同區域的傳感器、控制器和執行器等部件之間信息傳遞和信號傳輸的系統[2]。網絡化控制系統的研究，不僅能夠促進其在各行各業深入廣泛的應用，同時也為控制學科其他領域的研究，如基因調控網絡和傳感器網絡等提供借鑒和參考。正是基于這種考慮，我校開設了研究生專業選修課程“網絡化控制系統”。

有別于其他以現場總線為背景的同類課程[3]，我校開設的“網絡化控制系統”課程主要講授網絡化控制系統的分析和設計方法。針對由于網絡帶寬有限產生的諸如時滯、丟包、亂序、量化誤差等各種網絡誘導現象，建立合適的數學模型，并基于所建立的數學模型，采用控制理論的方法探討網絡化系統的分析與設計問題。

針對我校“網絡化控制系統”課程的特色，在教學內容的安排方面我們嘗試了如下幾種思路。

一、以網絡誘導現象為主線的教學內容安排

有限的網絡帶寬產生的各種網絡誘導現象，不僅嚴重降低系統性能，甚至導致系統失穩。同時，這些網絡誘導現象極大地增加了系統分析和設計的復雜度。因此，我校“網絡化控制系統”課程所探討的一個核心問題就是如何分析網絡誘導現象對系統性能的影響以及如何給出控制系統的最優設計方案。

在教學內容的安排上，一個很自然的想法就是以各種網絡誘導現象為主線。從簡單現象入手，先講授只存在某一種網絡誘導現象時，網絡化系統的分析和設計方法。例如，在講述時滯現象時，可以分別介紹典型的區間時變時滯、Markov隨機過程等描述方法；在講述丟包現象時，可介紹時滯、隨機和切換等描述方法。

由于帶寬有限，網絡化控制系統中的各種網絡誘導現象都有可能發生，因此，單獨針對某種網絡誘導現象的網絡化控制系統的分析和設計方法可能在許多場合并不適用，需要進一步考慮多種網絡誘導現象都可能發生時系統的分析和設計問題。在學生已掌握上述單個網絡誘導現象的處理方法后，可進一步講授多種網絡誘導現象的處理方法。例如針對可能同時出現丟包和時滯的網絡化控制系統，可以分別講授基于時滯系統方法、基于Markov跳變系統方法和基于切換系統方法等建立統一模型，并進而介紹系統的分析和設計方法。

上述以網絡誘導現象為主線的內容安排方式，可使學生較好地理解網絡誘導現象的成因和類型，認識到網絡化系統建模的重要性，從整體的角度把握網絡化控制系統研究的脈絡。但這種以網絡誘導現象為主線的教學內容安排不利于學生對基本控制理論和方法的掌握。例如在分別介紹時滯和丟包現象時，通常會相繼介紹時滯系統、隨機系統以及切換系統的建模方法等，并簡單介紹對應的系統分析和設計方法。這樣的安排容易讓學生眼花繚亂，尤其不利于學生系統掌握時滯、隨機以及切換系統的分析和處理方法，而這類系統的處理方法在研究控制學科其他分支，如多智能體系統、復雜網絡、基因網絡等將起到至關重要的作用。因此，對于“網絡化控制系統”課程而言，單純以網絡誘導現象為主線的教學內容安排方式通常并不可取。

二、以建模方法為主線的教學內容安排

“網絡化控制系統”課程的另一種可能的內容安排方式是以建模方法為主線。即分別介紹網絡化控制系統的常用建模方法，如時滯系統方法、隨機系統方法以及切換系統方法等，并在此基礎上，相繼介紹可以分別采用時滯、隨機和切換方法描述的具有一種或多種網絡誘導現象的網絡化控制系統的分析和設計方法。

這種以建模方法為主線的教學內容安排方式，盡管強化了對常用控制理論和方法的講授，但卻不利于學生對“網絡化控制系統”課程的整體把握，尤其不利于學生系統地了解各種網絡誘導現象的類別、成因和分析方法等。因此，以建模方法為主線的“網絡化控制系統”教學內容安排方式同樣也有很多不足之處。

三、基于學生特點分析的教學內容安排

以網絡誘導現象和以建模方法為主線的“網絡化控制系統”課程教學內容安排方式都有其自身的優點和缺點，因此需要探索一種更為合理的教學內容安排方式，充分發揮以上兩種教學內容安排方式的優點，揚長避短。

經過教學實踐和大量調研，我們發現采用如下的方式優化教學內容安排，可以極大地調動學生學習積極性，并提高教學效果。即針對選課學生的不同特點，因材施教，在以網絡誘導現象為主線安排教學內容的同時，有針對性地加強部分建模方法的講授。

選課學生的特點（包括研究方向，基本研究技能，興趣愛好等）不同，他們對課程內容的需求也有所不同。例如大部分學生都將開展與時滯相關的研究，那么考慮到學生對時滯系統分析和設計等方面知識的需求，同時也為了促進學生更好地理解基于時滯系統方法的網絡化控制系統的分析和設計，可以適當安排部分學時，專門加強時滯系統理論和方法的講授，并強調這些新的時滯系統方法在網絡化控制系統中的實際應用。這樣，不僅可以使學生從整體的角度了解網絡化控制系統的基本概念以及分析與設計方法等，而且通過加強對具體控制理論和方法的講授，對學生今后從事網絡化控制系統相關領域的研究也大有裨益。

四、今后探索的方向

在今后的教學過程中，要加強對學生特點的調研，并基于這些特點進一步探索更合理的網絡化控制系統的教學內容安排方式。此外，還要加強實踐環節的講授[4]，針對具體的網絡化控制系統，講授實際系統的分析和設計方法，提高學生對實際問題的分析和解決能力。在教學方式上，要增加與學生的互動和研討環節，通過課程論文演講與答辯等各種形式，提高學生課堂參與度，充分調動學生學習的積極性，增強其自學能力。

參考文獻：

[1]J.P.Hespanha，P.Naghshtabrizi，Y.G.Xu，A survey of recent results in networked control systems，Proc.IEEE，2007，95（1）：138-162.

[2]萬雄波.不完整量測下網絡化系統故障檢測與控制[J].華中科技大學博士學位論文，2011.

[3]黃號凱，竇峰山，李曉龍，龍志強.“網絡化控制”實踐教學系統設計與實現[J].實驗室科學，2016，19（4）：83-86.

[4]謝昊飛，蔡龍騰，網絡化控制系統實驗教學模式改革[J].實驗室研究與探索，2015，34（1）：189-192.