《现代控制理论》教学方法探讨

胡代弟 董素鸽

【摘要】《现代控制理论》是自动化专业一门很重要的专业课，但是由于这门课程理论性非常强，涉及到大量线性代数和微分方程的相关知识及分析过程中会有大量数据计算，在教学过程中往往不会产生很好的教学效果。所以本文就如何提高学生在学习过程中的学习兴趣及MatLab软件在课堂及实验中的应用进行探讨。

【关键词】现代控制理论;教学方法;Matlab;自动化

随着经济和科学技术的飞速发展，控制系统中大系统和智能控制系统的出现，经典控制理论已经不能满足需求，从而产生了现代控制理论。所以《现代控制理论》这门课程是自动化专业继《自动控制原理》之后非常重要的一门专业课，包括的内容很多，范围很广，且有的内容有相当的深度。《现代控制理论》课程的学习是以线性代数和微分方程为主要的数学工具，以状态空间法为基础来分析与设计控制系统。

在教学过程中，主要面临以下几个问题：

一、学生在学习中容易关注运算细节，而缺乏整体概念

在《现代控制理论》课程的学习中会涉及到大量的计算方法和计算公式，很容易让学生造成只关注计算方法与计算过程，没有系统的概念而忽略了为什么要采用这种方法及用这种方法可以解决什么问题。

比如，在分析一个系统的性能之前，首先应该建立一个数学模型来描述系统内部状态、外特征及内部各参量和外部特征参量的关系，这就是现代控制理论这门课程重要内容之一——状态空间表达式的建立。通过建立一个系统的状态空间表达式，来建立一个数学模型以便于对这个系统进行定性与定量的研究。

在讲课的过程中会给学生讲解由传递函数建立状态空间表达式、由高阶微分方程建立状态空间表达式等方法，往往这时候学生只知道把各种方法生搬硬套的拿来做完计算就可以了，对这个过程中为什么要设置那么多的状态变量，状态变量和微分方程有什么联系，微分方程怎么得到等一些列问题并不关心。所以这门课程的学习中很容易就会上成了数学课，学生会把大部分的注意力放在计算的方法和数据的正确与否，而没有系统的概念，对这些微分方程是怎么建立的和为什么要建立状态空间表达式及建立状态空间表达式是用来解决一些什么问题并不关心。

二、学习过程中，数据运算量大容易使学生失去兴趣

现代控制理论这门课程的学习中由于可对多变量和多输入多输出复杂系统进行分析，所以在这门课程的学习中会利用线性代数和微分方程相关的内容来进行运算以解决问题。

比如，用rank[B AB…An-1B]=n对系统的状态能控性进行判断，分析过程就涉及到利用线性代数中矩阵相乘和矩阵的秩的相关内容来进行运算。判断时，运算量的大小取决于系统状态变量的个数及系统输入输出量的个数。当状态变量多，系统的输入输出个数多于一个的时候计算量就会很大。这时学生在繁琐的计算中，很容易出现失误，从而会在大量枯燥的运算中而失去耐心，最后逐渐失去学习兴趣。

针对存在的问题，如何提高学生的学习兴趣，以达到更好的教学效果，本文将从以下三个方面进行探讨。

（一）教学中引入实际工程案例

在课程讲解的过程中通过实际工程案例结合课本内容进行讲解，以提高学生的学习兴趣。在教学过程中由于具体的工程案例的引入，更容易让学生建立整体系统的概念，把工程案例和课本知识相结合也让学生明白采用这些方法能实际解决的问题，所以思路正确以后学习兴趣自然也会增加。

（二）课堂中引入MatLab软件进行计算和演示

在课堂教学中使用MatLab软件进行计算和演示，以提高学生的学习兴趣。MatLab软件在课堂教学中的应用可以用计算机来代替手算解决《现代控制理论》的讲解中一些复杂及数据运算量大的问题。

例如，在《现代控制理论》的学习中比较重要的内容之一极点配置控制，这部分内容的学习过程中会涉及到对要分析的系统能控性的判别和系统特征值的运算等内容，分析过程中会涉及到大量复杂的计算，尤其是多输入系统的计算更为复杂计算量更大，如果在教学过程中使用MatLab来进行计算和演示就能很快就能把要计算的结果准确无误的计算出来，这样节省时间而且计算结果准确。除此之外，MatLab还可以对计算的结果以图像的形式演示出来，这样可以直观的看到运行结果。所以在课堂中应用MatLab软件尤其是在例题讲解的过程中，去除了传统的复杂繁琐手算计算过程，让学生快速准确直观的看到运行结果，可提高学生学习兴趣。

（三）采用MatLab完成实验内容

在实验中采用MatLab软件让学生来进行练习，以提高学生的学习兴趣和巩固学生学习的理论知识。学生在课堂学习中掌握的基本概念和基本方后，在实验中采用MatLab控制工具箱和一些简短的语句就能把一些原本复杂计算量大的内容准确快速的计算出来，并且还可以通过输出的图形很直观的对系统的具体动态过程进行分析，这可以使学生对理论知识有更深刻的认识和理解，同时也可培养学生系统综合分析设计的能力，为以后使用MatLab进行控制系统的设计打下基础。

学习兴趣对一门课程的学习至关重要。在《现代控制理论》这门课程的教学实践中，采用实际工程案例和课程内容相结合讲解的方法，利用MatLab软件来进行计算和演示，都能很好的提高了学生的学习兴趣，更有助于学生对理论知识的掌握和理解，达到了较好的教学效果。

参考文献

[1]郑艳，高立群，李浚圣.MATLAB仿真软件在现代控制理论课程教学中的应用[J].沈阳教育学院学报，2008（02）.

[2]王凡，王思文，郑卫刚.现代控制理论概述及实际应用意义[J].网友世界，2012（13）.

作者简介：

胡代弟（1983—），女，湖南怀化人，讲师，现供职于郑州大学西亚斯国际学院。

董素鸽（1983年—），女，河南叶县人，讲师，现供职于郑州大学西亚斯国际学院。