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1、汪晓宁 西南交通大学计算机与通信工程学院讲师教学体系:“经典” 与 “现代” 有机结合汪 晓 宁自动控制理论课是大学自动化类专业的主干技术基础课,由于历史的原因,目前我国大多数学校是采用 自动控制原理(经典部分)和 现代控制理论(以状态空间法为主)分别 设课的教学体系,其优点是讲课思路清楚,内容独立,互不影响。但随着计算机技术的发展, 自动化技术也发生了巨大变化。一方面,计算机技术和控制技术的结合日益紧密,使控制系 统的设计和实现已越来越依赖计算机;另一方面,控制理论本身的发展,也使现代控制理论 和经典控制理论紧密地联系起来。 因此,原有的教学体系已不适应这种变化,为此,我们在充分了解国内外控
2、制理论的教学情况、 发展趋势并总结本校教学经验的基础上,把 “经典” 与 “现代” 有机结合起来,对控制理论课程体系和教学内容进行了改革,提出了控制理论课程新 体系的设想。 这项教学体系改革的原则是:强调用统一、 联系的观点来分析、 处理问题,避免孤立、 片 面地去解决问题;突出物理概念及工程背景,淡化公式的数学证明。 为了将经典控制理论和现代控制理论有机地结合在一个统一的框架之下,我们认为,在宏观上,应突出分析和设计控制系统的性能指标,不论是经典理论还是现代理论,最后都落 实到控制系统的性能如何(分析),如何才能满足要求(设计);在微观上,抓住反映控制系 统的本质特征根和零、 极点,以零极点
3、的观点及线性系统的基本特性,阐述各种不同方 法(包括经典和现代方法)的共性、 各自的特点以及它们之间的联系。 由于现代控制理论中的严格证明和大量的矩阵运算,容易掩盖状态空间方法的工程背景,使学生误认为现代控制理论就是数学问题,与后续的控制课程关系不大。 所以,突出物理 概念并淡化数学证明,并非只讲概念,不讲证明,而是强调状态空间方法的工程背景。 所谓淡 化数学证明,乃是强调推导思路及结论分析,具体过程则可由学生通过习题掌握。 为体现上述改革原则,我们采取了如下具体做法:在课程结构上,将原来的3门控制理 论课自动控制原理?(417学时)、 自动控制原理(317学时)、 现代控制理论(317学时)
4、的内容及结构体系重新组织,按新体系授课,把3门课的内容置于 “经典” 和 “现 代” 统一的框架之下。新体系的主线为:绪论数学模型控制系统的分析(“经典” 的、 “现代” 的)控制系统的校正(“经典” 的、 “现代” 的)离散控制系统非线性控制 系统。与原来的教学内容体系相比,新体系具有如下特点:11 突出控制系统的性能指标的地位和作用。具体表现在: 在绪论中,强调分析和设19计控制系统的目的性能指标及其物理概念和工程含义,使学生在开始接触控制理论时, 就清楚控制理论要解决什么问题,在工程中如何体现,可以从哪些角度、 用什么方法来评价 控制系统的优劣,从而一开始就有一个总体概念; 在讲解具体方
5、法时,注意针对系统的性 能指标,不同的方法,性能指标的表现形式有什么特点,彼此之间又有什么联系。21 处理好事物的共性和个性的关系。具体表现在: 讲解数学模型时,将不同域的数学模型集中讲解,突出其个性,注意其共性,并通过具体例子展示时域、 复数域、 频域的数学 模型,并特别指出它们之间的转换关系和相应的物理特性,从而深刻揭示控制系统不同模型 之间的内在联系及其特点; 在讲解控制系统的分析时,除了强调状态空间法与经典分析 法一样,也存在系统的稳定性、 稳态特性和动态特性之外,还应强调状态空间法分析系统的 特点,即着重分析系统的状态及状态空间的属性和特点,注意系统的特征值与极点的关系,状态空间描述
6、与传递函数描述相比具有描述系统的完备性等特点; 在讲解控制系统的校 正时,将其分为两大类:经典校正方法和状态空间校正方法,首先强调其共性,即两类方法都 是为满足系统的性能指标而展开的。 然后又说明其个性,即不同方法,具体思维的方式、 实现 的途径不一样,前者是试探的过程,针对提出的性能指标,不断调整设计参数,分析设计结 果,使之在一定的裕量前提下,逐步逼近满足性能指标,因而设计结果具有鲁棒性,可直接应用到工程实践之中,后者是单纯的解析计算,即针对所提出的性能指标,将其转化为合理的 极点分布,而设计结果,只对数学模型负责,鲁棒性差,所以仅仅是现代设计方法的基础。31 突出物理概念,淡化数学证明。
7、这主要是针对现代控制理论而言,如状态方程的求 解,就从解的结构上分析零输入响应和零状态响应,并强调这种分解的物理意义;又如线性 系统的标准形及其转换,则强调这些不同的标准形对分析与设计系统所具有的各自优势,而 具体的转换过程则是线性代数中的内容,由作业来完成。两年的教学实践表明,新教学体系的优点主要有如下几点:11 能站在较高的角度来理解控制理论课程内容。经典理论也好,状态空间方法也好,都 是以控制系统为核心,从不同的角度,采用不同的方法来分析和设计控制系统,以达到教学 或工程现场对系统提出的要求性能指标。不同的方法,具有不同的特点,不同的处理手 段。这样,就使学生能从较高的角度来看待经典方法
8、和现代方法,理解其内在联系。21 突出了现代控制理论的物理概念及工程背景。由于将 “经典” 与 “现代” 有机结合起 来,利用经典控制理论物理概念明确、 工程意义强的特点,赋予现代控制理论较强的物理概 念及工程背景,克服原来学习现代控制理论时容易陷入纯数学推导而不易建立工程概念的 难点。学生普遍反映这部分内容思路清晰,概念清楚,处理问题的方法简明,并不难学。31 能用联系的观点来处理控制理论课与其它课程的关系。控制理论课程涉及高等数学、 复变函数、 线性代数、 信号与系统、 电子技术和微机原理等。由于教师经常有意识地将相 关课程联系起来,使学生从控制系统角度将所学的东西构成一个有机的知识体系。41 节省了学时。由于将 “经典” 与 “现代” 有机地结合起来,加强了个各部分内容的衔接, 去掉了一些不必要的重复,因而节省了较多的学时。29高等工程教育研究 1999年第1期
