基于便攜式倒立擺平臺(tái)的現(xiàn)代控制理論教學(xué)改革初探

　　摘 要 針對(duì)目前現(xiàn)代控制理論課程教學(xué)中存在的理論與實(shí)踐相脫節(jié)，課程知識(shí)概念抽象、難以理解等問(wèn)題，引入任務(wù)驅(qū)動(dòng)法教學(xué)理念，將便攜式倒立擺的建模、分析、設(shè)計(jì)及控制實(shí)現(xiàn)貫穿于整個(gè)課程教學(xué)中，從而激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)熱情。該教學(xué)方法具有較好的操作性，教學(xué)效果良好。
　　關(guān)鍵詞 便攜式倒立擺；現(xiàn)代控制理論；任務(wù)驅(qū)動(dòng)法
　　中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
　　文章編號(hào)：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(dòng)控制技術(shù)是衡量一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化發(fā)展程度的重要指標(biāo)之一。所謂自動(dòng)控制，是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（控制器），使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程（被控對(duì)象）的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（被控量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行[1]。作為當(dāng)前信息技術(shù)領(lǐng)域的重要內(nèi)容之一，自動(dòng)控制技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域起著越來(lái)越重要的作用。時(shí)至今日，在生產(chǎn)、軍事、管理、生活等各個(gè)領(lǐng)域，隨處可見(jiàn)自動(dòng)控制的身影。
　　隨著國(guó)家現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷深入，全社會(huì)對(duì)自動(dòng)控制技術(shù)人才的需求量也日益增長(zhǎng)。為此，全國(guó)各高校相繼設(shè)立自動(dòng)化專業(yè)，以期為社會(huì)培養(yǎng)具有一定工程素質(zhì)，掌握自動(dòng)化學(xué)科基本理論和應(yīng)用技術(shù)的自動(dòng)控制技術(shù)人才。同時(shí)，各高校根據(jù)自身的辦學(xué)定位，制訂諸多特色鮮明的自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)方案。需要指出的是，各高校自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)方案雖有一定的差別，但都會(huì)把現(xiàn)代控制理論課程作為其課程體系中不可或缺的核心內(nèi)容[2-4]。
　　北方民族大學(xué)作為一所委屬民族院校，根據(jù)旨在服務(wù)我國(guó)少數(shù)民族和民族地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的辦學(xué)目的，培養(yǎng)優(yōu)秀少數(shù)民族人才的辦學(xué)定位，針對(duì)高年級(jí)自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生開(kāi)設(shè)了48課時(shí)的現(xiàn)代控制理論課程，其中理論課時(shí)數(shù)為40，實(shí)驗(yàn)課時(shí)數(shù)為8。該課程在教學(xué)要求上對(duì)高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、大學(xué)物理等數(shù)理基礎(chǔ)課程有較強(qiáng)的依賴，并且課程中的抽象概念繁多，加之民族院校學(xué)生基礎(chǔ)薄弱，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中普遍感覺(jué)吃力。此外，課程實(shí)踐課時(shí)數(shù)少，在一定程度上限制了對(duì)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力和工程素養(yǎng)能力的培養(yǎng)。因此，如何在國(guó)家高等教育改革的新形勢(shì)下，高質(zhì)量地完成現(xiàn)代控制理論課程的教學(xué)任務(wù)，并培養(yǎng)出具備一定工程素養(yǎng)的合格自動(dòng)化專業(yè)技術(shù)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(xué)自動(dòng)化專業(yè)開(kāi)設(shè)的現(xiàn)代控制理論課程為背景，針對(duì)當(dāng)前課程教學(xué)過(guò)程中普遍存在的問(wèn)題，在課程教學(xué)中引入便攜式倒立擺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并在該平臺(tái)下提出一種以任務(wù)驅(qū)動(dòng)法[5]為核心思想的控制理論類(lèi)課程教學(xué)改革方法，以改善現(xiàn)有現(xiàn)代控制理論課程的教學(xué)效果，在夯實(shí)自動(dòng)控制理論知識(shí)基礎(chǔ)的同時(shí)，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)的培養(yǎng)。
　　2 課程特點(diǎn)及教學(xué)現(xiàn)狀分析
　　課程特點(diǎn) 現(xiàn)代控制理論是北方民族大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)方案中開(kāi)設(shè)的一門(mén)重要的專業(yè)課程。該課程以狀態(tài)空間為核心，培養(yǎng)學(xué)生分析和設(shè)計(jì)一般自動(dòng)控制系統(tǒng)的能力。鑒于學(xué)校地處西部偏遠(yuǎn)地區(qū)，綜合考慮區(qū)域性學(xué)科發(fā)展，民族院校人才培養(yǎng)、教育科研的特點(diǎn)，將現(xiàn)代控制理論的教學(xué)目標(biāo)定為了解自動(dòng)控制的基本原理，掌握多輸入多輸出控制系統(tǒng)的建模方法，具備一定運(yùn)用基本數(shù)理知識(shí)和MATLAB輔助設(shè)計(jì)軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)的能力。相比其他專業(yè)課程，該課程具有如下特點(diǎn)。
　　1）課程理論性強(qiáng)�？刂评碚擃�(lèi)課程是一類(lèi)理論性很強(qiáng)的專業(yè)課程。其主要目的是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用書(shū)本知識(shí)定性、定量分析與設(shè)計(jì)一般控制系統(tǒng)的基本能力。課程教學(xué)內(nèi)容對(duì)高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、大學(xué)物理、復(fù)變函數(shù)、電路原理、模擬電子基礎(chǔ)、數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)課程有較強(qiáng)的依賴，這就要求學(xué)生在課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中必須具備一定的數(shù)、理、電三方面的基本知識(shí)。
　　2）課程知識(shí)概念抽象。由于控制理論類(lèi)課程是以數(shù)理知識(shí)為基礎(chǔ)的，因此，課程所涉及的許多重要控制概念，如系統(tǒng)穩(wěn)定性、能控性、能觀性、魯棒性等，都以數(shù)學(xué)形式給出，致使相當(dāng)一部分學(xué)生在學(xué)習(xí)理解掌握課程內(nèi)容上較為吃力。
　　課程教學(xué)現(xiàn)狀分析
　　1）學(xué)生基礎(chǔ)薄弱。作為一所民族院校，有相當(dāng)一部分比例的學(xué)生來(lái)源于邊疆少數(shù)民族地區(qū)和邊遠(yuǎn)貧困地區(qū)，基礎(chǔ)較弱。因此，在學(xué)習(xí)控制理論類(lèi)課程的時(shí)候，學(xué)生很難對(duì)該課程涉及的數(shù)理基礎(chǔ)知識(shí)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(xué)生對(duì)該課程學(xué)習(xí)的難度，學(xué)習(xí)積極性不高，學(xué)習(xí)興趣降低。

相關(guān)熱詞搜索：教學(xué)改革 倒立 初探 理論 控制