发布时间：2020-04-09所属分类：教育论文浏览：1次
摘 要： 摘要:目前，我国很多高校控制理论与控制工程专业研究生教学中虽然设置了系统辨识课程和多门控制课程，但各门课程偏重理论忽视实践，并且关联性较差，导致学生学习效率较低，不能学以致用。针对这一现状，以东北大学流程工业综合自动化国家实验室研究生创新实
摘要:目前，我国很多高校控制理论与控制工程专业研究生教学中虽然设置了系统辨识课程和多门控制课程，但各门课程偏重理论忽视实践，并且关联性较差，导致学生学习效率较低，不能学以致用。针对这一现状，以东北大学流程工业综合自动化国家实验室研究生创新实验班为依托，将建模课程与多门控制课程相融合，创建了现代控制系统课程教学思路、教学方法，并加强了实验教学实践。通过课后调查和反馈，该课程和教学方法均获得了师生的一致好评。
关键词:现代控制系统;课程改革;实验教学
0引言
控制理论与控制工程专业无论在本科还是研究生阶段都是自动化学科的热门专业。国外大学虽然没有该类专业，但是很多工科院系的专业都开设了控制理论和控制工程相关的课程。如在德国，电气和电子工程系、机械工程系、化学工程系等相关学科的所有低年级学生，都要学习控制理论基础课，并为高年级学生提供随机与自适应控制、离散时间系统与数字控制等课程[1];在美国，大多数工科院系至少为本科生开设控制系统导论课程，并在研究生开设数字控制、自适应控制等课程[2]。
相关期刊推荐：《实验室研究与探索》杂志是教育部主管、上海交通大学主办的国内外公开发行的综合性技术刊物，全国高校实验室工作研究会会刊之一。主要刊登：校长、名人访谈、2l世纪实验与创新、实验技术、计算机技术应用、实验教学示范中心建设、实验教学、实习与实训、处长论坛、实验室建设与科学管理、仪器设备供应与管理、高职高专院校实验窒等方面的信息。
近年来，为适应现代工业和高新技术的飞速发展，世界各个大学针对控制理论与控制工程相关专业无论在课程的设置上还是在教学方法上都在深入地进行教育教学改革。如美国俄亥俄州立大学电气工程系针对高年级本科生和研究生特意新开了模糊控制的实验课程[3];土耳其Kocaeli大学电力和能源系将主动学习策略引入到电气传动控制课程[4];美国普渡大学电机与计算机工程学院为加深和巩固电力电子课程中的基本概念建立了教学实验室[5];罗马尼亚PolitehnicaUniversityofTimisoara(PUT)自动化与应用信息系针对先进控制工程课程提出了基于实验的教学方法[6];罗马尼亚PolitehnicaUniversityofBucharest自动控制与系统工程系为补充传统的教学方法，针对运动控制的基础理论提出了基于e-learning平台网络教学法[7]。还有其他国家和地区也新开设或补充开设了基于elearning平台和虚拟实验室的网络教学方法[8-13]。
目前我国控制理论与控制工程专业硕士研究生课程设置种类较多，各门课程比较偏重理论忽视实践，课程之间存在知识点重复，总体体系结构不清晰等问题，另外建模课程与控制课程之间衔接也不紧密，关联性较差，导致学生学习效率较低，不能学以致用。2016年，我校流程工业综合自动化国家重点实验室(以下称流程实验室)针对这一现状为研究生创新实验班开设了现代控制系统课程。它整合了系统辨识、现代控制理论、计算机控制理论、过程控制系统以及自适应控制理论等多门课程。通过这门课程的学习，希望使研究生掌握系统、建模和控制等自动化专业技术基础知识，明确它们之间的联系，具备综合运用建模、控制和优化提升控制系统性能的能力。
现代控制系统课程分为两部分，第1部分即现代控制系统I着重介绍机械系统的建模和基于状态空间理论的控制方法以及应用实例;第2部分即现代控制系统II着重介绍过程控制系统的建模和基于多项式理论的控制方法以及应用实例。本文着重介绍现代控制系统II课程的体系结构，并讨论在该体系结构下的实验教学方法。
1现代控制系统II教学思路与教学方法
现代控制系统II课程在研究生入学以后第1学期开课，理论课32学时，实验课32学时。课程大纲主要包括:①离散时间控制系统概述。②控制器设计模型建模方法———被控对象非线性动态机理建模分析与工作点处线性化方法;确定性和随机离散时间线性模型结构;系统辨识与最小二乘类参数估计方法。③离散时间控制器设计方法———经典的控制器设计方法;基于优化理论的控制器设计方法;多变量控制方法;自校正控制方法。
通过32学时的课堂教学和课后仿真作业，使学生掌握控制系统、被控对象、控制器设计模型之间的区别和联系，学会针对不同的被控对象、不同的控制目标选择合适的控制器设计方法，并需要建立相应的控制器设计模型，学会使用Matlab软件的M语言编写建模和控制算法程序，完成数值仿真实验。课堂教学结束，采用闭卷的形式对学生掌握的理论基础进行检验。接下来，为了加深和巩固理论基础，更好地掌握控制器的设计原理，并真正体会理论指导实际，实际改善理论的道理，要求学生采用几种典型的控制器设计方法对双容水箱液位系统进行实际应用实验。该实验根据学生人数，分组进行，每组抽到的实验题目要求都有些不同，每组3至4人，每人分工明确。由于水箱设备有限，不能满足全体学生同时进行实验，因此采用上、下午和晚上3个时间段轮流实验的方式，每组学生实验时间不超过32学时，实验结束要求学生采用答辩的方式对各自负责的部分进行详细阐述和分析说明。
2双容水箱多功能过程控制实验平台
双容水箱多功能过程控制实验平台是流程实验室自主研发的，能够支持包括温度、流量、压力以及液位控制在内的多类过程控制实验。
实验平台的硬件部分包括双容水箱、蓄水池、离心泵、电磁阀、流量计、液位计以及嵌入式控制器等。采用Matlab与Java等软件工具开发了具有网络化通信、可视化编程、自动代码生成、实时控制、实验教学辅助等功能的网络化实时控制实验软件平台。学生开展实验时，只需要在Matlab/Simulink环境对建模和控制算法进行编程，之后自动生成可执行代码下载到嵌入式控制器运行。实验过程中可以对相关被控量和控制量变化曲线进行监控，可以在线调整相关参数，保存实验数据。
图1所示为双容水箱液位系统硬件平台实物图。水泵从蓄水池抽水并将水流注入水管，分别经过流量计、电磁阀和阀门进入1号水箱和2号水箱，两个水箱通过阀连通，同时可以利用液位计对两个水箱内液位进行检测，最后通过泄水阀流回蓄水池形成回路。
将多功能过程控制平台中左侧水箱设定为1号水箱，右侧水箱设定为2号水箱，而流经1号水箱的控制回路为回路1，流经2号水箱的控制回路为回路2，调节水泵的电压PWM占空比可以将水流以不同流量从蓄水池注入水管，总水流量为1号水箱和2号水箱的入水流量之和，即两个水箱入水流量具有输入耦合关系，且两个水箱之间存在连通阀，使得双容水箱系统同时具有状态耦合，而且，实验平台所提供的流量计和液位计等器件，可以对实验中的主要被控参数进行检测和反馈，电磁阀又可以定量调节回路1中入水流量。
3控制器设计模型建模方法及双容水箱建模实验
3.1控制器设计模型建模方法的课堂教学
课堂教学中，首先从流程工业综合自动化系统各个层次的设计与实施中对模型的需求出发，概述了模型的各种应用背景、模型的含义、表征形式、分类与建立方法，说明了模型的建模设计随使用目的不同而不同，指出本课程以控制器设计模型的建模方法为重点内容。
(1)以水箱液位过程为例，向学生讲授被控对象非线性动态机理模型的建模方法，并使学生了解机理建模中的某些假设条件、对象非线性特性的来源，模型的结构如阶次、时延与物理过程的联系;指出大多数不是具有较强非线性的动态过程都可以在工作点处设计线性控制器进行反馈控制，达到较好的控制性能;介绍非线性模型的工作点处线性化方法，从而获得被控对象在工作点处的连续时间线性动态模型，即线性状态空间模型，并分析不同工作点处的动态特性不同。
(2)讲授连续时间模型的离散化方法，重点介绍对连续时间线性状态空间模型进行零阶保持采样得到离散时间状态空间模型的一般性推导方法，并指出平移算子、脉冲传递算子与Z变换、脉冲传递函数的联系与区别;以一阶、二阶、时延对象为例，说明连续时间模型与离散时间模型零极点之间的变换关系，采样周期对零极点的影响和一阶、二阶离散时间动态系统特性分析。
(3)讲授随机离散时间线性动态模型，为随机控制方法的设计打下基础。重点介绍随机干扰的来源、建立随机干扰模型的意义、平稳随机过程概述、白噪声和有色噪声序列、谱分解定理、随机干扰模型类型、离散时间随机线性动态模型的类型。
(4)在学生对离散时间线性动态模型结构有所认知的基础上，讲授模型参数估计方法，指出通常情况下较难获取精确的机理模型，难以采用工作点处线性化的方法得到较为准确的线性动态模型，因此可以采用系统辨识的方法基于实验数据对模型参数进行估计，重点介绍系统辨识方法的内涵和步骤，最小二乘类的参数估计算法，包括一次完成算法、递推算法和增广最小二乘递推算法以及最小二乘参数估计的统计性质;系统辨识的一些实际应用考虑，包括辨识实验设计、辨识信号持续激励的解释、数据预处理、模型结构选择、模型检验等重要环节。
3.2双容水箱液位过程的控制器设计模型建模实验实验要求每组学生针对水箱液位过程设计实现不同的控制方法，包括单变量控制和多变量控制方法。针对不同的控制器设计方法，需要选择不同的控制器设计模型结构，如极点配置控制器、一步超前最优控制器采用受控自回归模型(ARX)，只需要建立确定性模型部分;最小方差控制器采用受控自回归滑动平均模型(CARMA)，需要建立确定性模型部分和随机干扰模型部分。以下以双容水箱液位过程的多变量模型为例描述建模实验过程中的一些要点。
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