發布時間：2020-04-09所屬分類：教育論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:目前，我國很多高�？刂评碚撆c控制工程專業研究生教學中雖然設置了系統辨識課程和多門控制課程，但各門課程偏重理論忽視實踐，并且關聯性較差，導致學生學習效率較低，不能學以致用。針對這一現狀，以東北大學流程工業綜合自動化國家實驗室研究生創新實
摘要:目前，我國很多高�？刂评碚撆c控制工程專業研究生教學中雖然設置了系統辨識課程和多門控制課程，但各門課程偏重理論忽視實踐，并且關聯性較差，導致學生學習效率較低，不能學以致用。針對這一現狀，以東北大學流程工業綜合自動化國家實驗室研究生創新實驗班為依托，將建模課程與多門控制課程相融合，創建了現代控制系統課程教學思路、教學方法，并加強了實驗教學實踐。通過課后調查和反饋，該課程和教學方法均獲得了師生的一致好評。
關鍵詞:現代控制系統;課程改革;實驗教學
0引言
控制理論與控制工程專業無論在本科還是研究生階段都是自動化學科的熱門專業。國外大學雖然沒有該類專業，但是很多工科院系的專業都開設了控制理論和控制工程相關的課程。如在德國，電氣和電子工程系、機械工程系、化學工程系等相關學科的所有低年級學生，都要學習控制理論基礎課，并為高年級學生提供隨機與自適應控制、離散時間系統與數字控制等課程[1];在美國，大多數工科院系至少為本科生開設控制系統導論課程，并在研究生開設數字控制、自適應控制等課程[2]。
相關期刊推薦：《實驗室研究與探索》雜志是教育部主管、上海交通大學主辦的國內外公開發行的綜合性技術刊物，全國高校實驗室工作研究會會刊之一。主要刊登：校長、名人訪談、2l世紀實驗與創新、實驗技術、計算機技術應用、實驗教學示范中心建設、實驗教學、實習與實訓、處長論壇、實驗室建設與科學管理、儀器設備供應與管理、高職高專院校實驗窒等方面的信息。
近年來，為適應現代工業和高新技術的飛速發展，世界各個大學針對控制理論與控制工程相關專業無論在課程的設置上還是在教學方法上都在深入地進行教育教學改革。如美國俄亥俄州立大學電氣工程系針對高年級本科生和研究生特意新開了模糊控制的實驗課程[3];土耳其Kocaeli大學電力和能源系將主動學習策略引入到電氣傳動控制課程[4];美國普渡大學電機與計算機工程學院為加深和鞏固電力電子課程中的基本概念建立了教學實驗室[5];羅馬尼亞PolitehnicaUniversityofTimisoara(PUT)自動化與應用信息系針對先進控制工程課程提出了基于實驗的教學方法[6];羅馬尼亞PolitehnicaUniversityofBucharest自動控制與系統工程系為補充傳統的教學方法，針對運動控制的基礎理論提出了基于e-learning平臺網絡教學法[7]。還有其他國家和地區也新開設或補充開設了基于elearning平臺和虛擬實驗室的網絡教學方法[8-13]。
目前我國控制理論與控制工程專業碩士研究生課程設置種類較多，各門課程比較偏重理論忽視實踐，課程之間存在知識點重復，總體體系結構不清晰等問題，另外建模課程與控制課程之間銜接也不緊密，關聯性較差，導致學生學習效率較低，不能學以致用。2016年，我校流程工業綜合自動化國家重點實驗室(以下稱流程實驗室)針對這一現狀為研究生創新實驗班開設了現代控制系統課程。它整合了系統辨識、現代控制理論、計算機控制理論、過程控制系統以及自適應控制理論等多門課程。通過這門課程的學習，希望使研究生掌握系統、建模和控制等自動化專業技術基礎知識，明確它們之間的聯系，具備綜合運用建模、控制和優化提升控制系統性能的能力。
現代控制系統課程分為兩部分，第1部分即現代控制系統I著重介紹機械系統的建模和基于狀態空間理論的控制方法以及應用實例;第2部分即現代控制系統II著重介紹過程控制系統的建模和基于多項式理論的控制方法以及應用實例。本文著重介紹現代控制系統II課程的體系結構，并討論在該體系結構下的實驗教學方法。
1現代控制系統II教學思路與教學方法
現代控制系統II課程在研究生入學以后第1學期開課，理論課32學時，實驗課32學時。課程大綱主要包括:①離散時間控制系統概述。②控制器設計模型建模方法———被控對象非線性動態機理建模分析與工作點處線性化方法;確定性和隨機離散時間線性模型結構;系統辨識與最小二乘類參數估計方法。③離散時間控制器設計方法———經典的控制器設計方法;基于優化理論的控制器設計方法;多變量控制方法;自校正控制方法。
通過32學時的課堂教學和課后仿真作業，使學生掌握控制系統、被控對象、控制器設計模型之間的區別和聯系，學會針對不同的被控對象、不同的控制目標選擇合適的控制器設計方法，并需要建立相應的控制器設計模型，學會使用Matlab軟件的M語言編寫建模和控制算法程序，完成數值仿真實驗。課堂教學結束，采用閉卷的形式對學生掌握的理論基礎進行檢驗。接下來，為了加深和鞏固理論基礎，更好地掌握控制器的設計原理，并真正體會理論指導實際，實際改善理論的道理，要求學生采用幾種典型的控制器設計方法對雙容水箱液位系統進行實際應用實驗。該實驗根據學生人數，分組進行，每組抽到的實驗題目要求都有些不同，每組3至4人，每人分工明確。由于水箱設備有限，不能滿足全體學生同時進行實驗，因此采用上、下午和晚上3個時間段輪流實驗的方式，每組學生實驗時間不超過32學時，實驗結束要求學生采用答辯的方式對各自負責的部分進行詳細闡述和分析說明。
2雙容水箱多功能過程控制實驗平臺
雙容水箱多功能過程控制實驗平臺是流程實驗室自主研發的，能夠支持包括溫度、流量、壓力以及液位控制在內的多類過程控制實驗。
實驗平臺的硬件部分包括雙容水箱、蓄水池、離心泵、電磁閥、流量計、液位計以及嵌入式控制器等。采用Matlab與Java等軟件工具開發了具有網絡化通信、可視化編程、自動代碼生成、實時控制、實驗教學輔助等功能的網絡化實時控制實驗軟件平臺。學生開展實驗時，只需要在Matlab/Simulink環境對建模和控制算法進行編程，之后自動生成可執行代碼下載到嵌入式控制器運行。實驗過程中可以對相關被控量和控制量變化曲線進行監控，可以在線調整相關參數，保存實驗數據。
圖1所示為雙容水箱液位系統硬件平臺實物圖。水泵從蓄水池抽水并將水流注入水管，分別經過流量計、電磁閥和閥門進入1號水箱和2號水箱，兩個水箱通過閥連通，同時可以利用液位計對兩個水箱內液位進行檢測，最后通過泄水閥流回蓄水池形成回路。
將多功能過程控制平臺中左側水箱設定為1號水箱，右側水箱設定為2號水箱，而流經1號水箱的控制回路為回路1，流經2號水箱的控制回路為回路2，調節水泵的電壓PWM占空比可以將水流以不同流量從蓄水池注入水管，總水流量為1號水箱和2號水箱的入水流量之和，即兩個水箱入水流量具有輸入耦合關系，且兩個水箱之間存在連通閥，使得雙容水箱系統同時具有狀態耦合，而且，實驗平臺所提供的流量計和液位計等器件，可以對實驗中的主要被控參數進行檢測和反饋，電磁閥又可以定量調節回路1中入水流量。
3控制器設計模型建模方法及雙容水箱建模實驗
3.1控制器設計模型建模方法的課堂教學
課堂教學中，首先從流程工業綜合自動化系統各個層次的設計與實施中對模型的需求出發，概述了模型的各種應用背景、模型的含義、表征形式、分類與建立方法，說明了模型的建模設計隨使用目的不同而不同，指出本課程以控制器設計模型的建模方法為重點內容。
(1)以水箱液位過程為例，向學生講授被控對象非線性動態機理模型的建模方法，并使學生了解機理建模中的某些假設條件、對象非線性特性的來源，模型的結構如階次、時延與物理過程的聯系;指出大多數不是具有較強非線性的動態過程都可以在工作點處設計線性控制器進行反饋控制，達到較好的控制性能;介紹非線性模型的工作點處線性化方法，從而獲得被控對象在工作點處的連續時間線性動態模型，即線性狀態空間模型，并分析不同工作點處的動態特性不同。
(2)講授連續時間模型的離散化方法，重點介紹對連續時間線性狀態空間模型進行零階保持采樣得到離散時間狀態空間模型的一般性推導方法，并指出平移算子、脈沖傳遞算子與Z變換、脈沖傳遞函數的聯系與區別;以一階、二階、時延對象為例，說明連續時間模型與離散時間模型零極點之間的變換關系，采樣周期對零極點的影響和一階、二階離散時間動態系統特性分析。
(3)講授隨機離散時間線性動態模型，為隨機控制方法的設計打下基礎。重點介紹隨機干擾的來源、建立隨機干擾模型的意義、平穩隨機過程概述、白噪聲和有色噪聲序列、譜分解定理、隨機干擾模型類型、離散時間隨機線性動態模型的類型。
(4)在學生對離散時間線性動態模型結構有所認知的基礎上，講授模型參數估計方法，指出通常情況下較難獲取精確的機理模型，難以采用工作點處線性化的方法得到較為準確的線性動態模型，因此可以采用系統辨識的方法基于實驗數據對模型參數進行估計，重點介紹系統辨識方法的內涵和步驟，最小二乘類的參數估計算法，包括一次完成算法、遞推算法和增廣最小二乘遞推算法以及最小二乘參數估計的統計性質;系統辨識的一些實際應用考慮，包括辨識實驗設計、辨識信號持續激勵的解釋、數據預處理、模型結構選擇、模型檢驗等重要環節。
3.2雙容水箱液位過程的控制器設計模型建模實驗實驗要求每組學生針對水箱液位過程設計實現不同的控制方法，包括單變量控制和多變量控制方法。針對不同的控制器設計方法，需要選擇不同的控制器設計模型結構，如極點配置控制器、一步超前最優控制器采用受控自回歸模型(ARX)，只需要建立確定性模型部分;最小方差控制器采用受控自回歸滑動平均模型(CARMA)，需要建立確定性模型部分和隨機干擾模型部分。以下以雙容水箱液位過程的多變量模型為例描述建模實驗過程中的一些要點。
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