现代控制理论课程设计
现代控制理论课程设计
现代控制理论是测控专业的基础课。本课程主要包括状态空间的基本理论，使学生掌握必要的现代控制理论基础知识，为后续专业课的学习奠定理论基础。由于强大的理论课程的性质,主要是课堂教学,如果教学方法不当,只是按照教科书教学生课本上的专业知识,很容易让学生感到无聊,挫伤学生学习的积极性与主动性,严重影响学习的效果。因此，我们需要改革教学方法，让学生积极思考，让学生从被动的接受者变成积极的参与者。
2、研讨式教学方案的整体设计
本课程主要是关于状态空间的基本理论。本课程以课堂教学为主。设计系统需要理解和掌握系统矩阵与稳定性之间的关系，线性系统的状态转换过程，可控性与可观性，系统设计、极点配置与观测器设计方法之间的关系。通过课程实验，掌握模型变换，李亚普诺夫矩阵方程的求解，以及利用状态反馈的系统极点配置设计方法。学习在控制系统辅助分析和设计中使用MATLAB的基本技能，为今后解决实际工程问题奠定基础。通过本课程的学习，学生可以全面理解每一章的概念，灵活运用解决问题的方法，分析和解决实际问题。因此，从内容结构、教学方法、培训载体、考核方法等方面设计了以知识点为主线，结合课程理论教学内容、讨论教学、综合知识应用作业、实践教学和考核方法的现代控制理论研讨课教学方案。
（一）现代控制理论研讨式教学知识点
现代控制理论课程体系主要围绕建立控制系统的数学模型基础之上，
学习对控制系统的分析方法和系统综合方法。即建立控制系统状态空间表达式模型，特别状态模型的三种实现能控标准型、能观标准型、约当标准型，以及各种模型之间的相互转化；在模型建立后分析控制系统的时域响应，分析控制系统的能控性和能观性，利用李亚普诺夫第二方法分析系统的稳定性；为了改善系统性能，然后对系统进行综合设计，即利用状态反馈实现极点配置，为了解决状态不能直接检测的问题，利用带状态观测器进行状态反馈系统设计。
（二）现代控制理论研讨式教学模式
1.通过理论教学应掌握的知识与方法。了解自动控制与系统的基本概念、基本要求；建立控制问题的系统观，学会用控制系统的思想理解问题；掌握控制系统状态空间模型的建立方法。重点掌握由传递函数（矩阵）到状态模型的三种实现：能控标准型实现、能观标准型实现、约当标准型实现；掌握如何求线性定常系统齐次状态方程和非齐次状态方程的解；掌握线性连续定常系统的能控性和能观性概念及判别准则；掌握控制系统稳定性的基本概念，重点掌握李亚普诺夫第一、李亚普诺夫第二分析法；掌握通过反馈设计控制系统。重点掌握状态反馈能任意极点配置的条件和利用极点配置实现状态反馈，重点掌握全维状态观测器的实现；掌握状态观测器的状态反馈系统设计。
2.通过实验教学进行动手实践能力培养。通过数字仿真软件解算实际控制问题，学会掌握控制系统的计算机仿真分析，通过对MATLAB 软件的学习，掌握基本的模型变换、典型系统的响应分析等语言，提高解决控制问题的计算与分析能力。通过模拟仿真电路实验，提高学
生控制电路调试与实现的能力。通过控制理论实验装置，学生根据自行设计的控制理论教学实验电路进行模拟仿真电路实验，提高学生的动手实践和理论联系实际的能力。
3.通过整个课程教学设计进行综合素质培养。根据教学内容，在课堂开展研讨式教学，本课程共设计了五个研讨性教学环节，培养学生与人合作的能力和探索知识的精神。针对重点内容分别设计了综合知识测验和综合知识应用大作业，来培养学生综合应用知识的能力。通过本课程的理论、实践和研究性教学，学生基本具备运用自动控制理论解决实际问题的能力，并能够初步完成今后生产和科研中遇到的基本控制任务。
三、研讨式教学训练载体的设计
研讨式教学模式主要通过引例进行基本概念和理论的讲解，在课堂上开展讨论式教学，按照知识点进行研讨式教学设计，让学生自主学习，查阅文献和学习新知识，培养学生归纳总结、在有限的时间内学习的能力；配合课后练习对基本概念进行有针对性的训练，对重要知识内容进行学习效果检验。每部分配合教学内容进行综合知识运用的训练，配有大作业。根据教学内容设计实验训练项目。针对每个知识点设计研讨式教学模式。
1.习题。根据各章知识点，每章布置一定数量的作业，巩固所学内容。
2.课堂研讨式教学。第一章课堂研讨式教学一：如何从各个角度建立控制系统状态空间表达式，讨论状态空间表达式实现的非唯一性。第二章课堂研讨式教学二：讨论求解系统方程响应的不同方法。第三章
课堂研讨式教学三：讨论能控性能观性的含义。第四章课堂研讨式教学四：讨论稳定性的含义以及判别稳定性的各种方法。第五章课堂研讨式教学五：讨论如何实现系统综合，以及实现极点配置的各个反馈结构的优缺点。
3.随堂测试及综合测验。第一章随堂测试一次，第二章随堂测试一次，第三章随堂测试一次，第四章随堂测试一次，第五章综合测验一次。
4.综合知识应用大作业。课后综合知识应用大作业共三次。第一次根据课堂讨论，查阅资料，建立一个实际控制系统不同形式的模型（如传递函数、微分方程、状态空间表达式等）。第二次根据课堂讨论，查阅资料，用不同方法求解控制系统的方程，总结不同方法的优缺点。第三次根据课堂讨论，查阅资料，用不同方法判别控制系统的稳定性，总结不同方法的优缺点。
5.实验教学。实验内容：（1）控制系统的不同实现。（2）状态反馈极点配置。基本要求：观察实验结果，有一感观印象，巩固学生所学的知识，验证所得的理论结论，使学生初步掌握实验方法和操作技能，锻炼他们的动手能力，训练他们整理资料、编写实验报告的能力，培养严格的科学作风。
四、研讨式教学的训练组织形式和安排
1.练习题的教学组织形式和安排。根据教学日历，布置课后习题；阅后，下一次课，根据习题中出现的共性问题，集中讲评。
2.课堂研讨式教学组织形式和安排。根据讲授内容，布置讨论题目，10人一组，讨论后演讲，回答问题，老师总结点评。在研讨时，教
师需要及时进行提醒和引导，控制研讨的进度，避免研讨过程散漫。
3.随堂测试及综合测验的教学组织形式和安排。根据教学日历，讲完本节内容后，随堂进行，可以参考资料，但必须在规定时间内独立完成。收卷后，课后阅卷，给出成绩，课上根据测验中出现的共性问题，集中讲评。
4.综合知识应用大作业教学组织形式和安排。课堂上布置综合知识应用大作业，学生课后完成，可以查阅资料文献，独立完成，根据要求对所用知识点进行归纳和分析，需给出参考文献。
5.实验教学组织形式和安排。根据教学日历，讲授完实验内容所涉及的各个知识点后，联系实验中心，安排实验任务，最后撰写实验报告。
五、学生课程成绩评价体系与标准
1.学生成绩考核形式与比例。课程总成绩=期末考试成绩×60%+随堂测试及综合测验×20%+课堂讨论及大作业×10%+实验成绩×10%
2.课堂研讨式教学成绩评价。主要从以下几个方面对课堂研讨式教学成绩进行评价：阐述问题的逻辑性及流利程度，能否恰当运用控制理论相关知识点，能否正确回答问题，能否提出自己的见解。
3.综合知识应用大作业成绩评价。主要从大作业的问题的分析过程质量和撰写质量两方面评价。包括对问题的提炼能力、能否提供清晰的解决方案、能否综合运用知识解决实际问题、能否正确进行分析、能否正确提炼出结论。
4.实验报告评分。实验教师主要根据学生理论计算、实验电路的设计及分析、预期结果和实验结果、报告的撰写及结论进行评价。
六、效果及结论
利用多种教学手段的研讨式教学方法教授现代控制理论这门专业课，能充分调动同学们的学习积极性、主动性，充分发挥他们的主观能动性与创造力，在引导同学们自己“创造”出很多专业知识的同时，培养了同学们综合应用相关知识的能力，并对这些知识点有了深刻认识与本质把握，培养了其动手动脑分析问题、解决问题的能力，培养了其创造性和创新能力，并让他们学会、掌握了相应的学习方法。自实践上述教学方法以来，整个班级的学习氛围得到增强，取得了良好的教学效果。但也存在一些问题，比如在实施过程中，因为学时的限制，学生数量较多，所以研讨进度较慢，不能大规模进行课堂式研讨。另外将来如何联系当前一些实际热点问题和前沿知识，应用所学知识点，引导学生进行讨论，更好地激发学生兴趣，将是进一步改进的方向。