_系统辩识与自适应控制_课程教学改革探讨

《系统辩识与自适应控制》是工科自动化专业的一门专业拓展课程， 是传统控制理论发展的高级阶段，在自动化专业课程体系中占有重要地 位，该课程理论性强，内容丰富，涉及知识面宽以及技术发展更新快 。本 文根据笔者在教学改革实践中遇到的一些问题，分析了该门课程的特 点和教学目的，提出了教学实践过程中采用的一些具体解决方法和措施。
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《系统辩识与自适应控制》课程教学改革探讨
淮阴工学院电子与电气工程学院 王建国
［摘 要］本文根据《系统辨识与自适应控制》课程的特点，探讨了该课程教学中存在的问题。通过教学实践和课程建设，总结了一些 有效的教学改革措施，并且在文中作了具体的分析和介绍，其中包括优化教学内容、改进教学方法和手段以及重视实践教学改革探索。 ［关键词］教学改革 系统辨识与自适应控制 实践教学 理论教学
１．课程特点及教学目的
目前，《系统辨识与自适应控》制理论日趋成熟，并被广泛应用于国 民经济和国防建设的各个工程技术领域，包括航天、航空、机器人、各种 工业过程、环境保护、生物工程以及社会经济与管理等。而且，作为一种 普遍的思想，该理论已成为众多先进控制技术如预测控制、滑模变结构 控制、神经网络控制、模糊控制以及鲁棒控制等的研究基础；反过来，这 些技术又推动了此学科理论体系、内容以及技术的快速更新 。面对这 种情况，学生经常感到不知所措，普遍缺乏学好该门课程的信心。
２．１ 优化理论教学内容 “系统辨识”和“自适应控制”是两门紧密联系的学科，其理论经过 半个多世纪的充实和完善，已经形成了较为完善的理论体系。至今，国 内外已出版了几十种有关这两门学科的书籍，多数是将它们单独成书， 而将两者融合的教材则很少，因此精心选择合适的教材是非常重要的。 通过选择合适的教材，教师和学生都能接触到先进的思想和理念，这必 将对于学生对课堂的学习和能力的提高有很大的帮助。同时，授课教材 也并不能局限于指定的某本教材，还应选用知识互补，具有不同优势的 教材作为学生的参考书，以帮助学生更好理解本课程。 此外，由于不同高校的专业培养计划课时以及学生素质的差异，致 使选定教材与我校人才培养要求存在一些内容差异，教材相关知识点 也存在一些重复或漏缺。例如，教材对系统辨识的最小二乘算法进行讲 述时，多是从各个具体不同的算法分别给出所使用的模型类，但是这样 做不仅使得理论缺乏内在的逻辑性，而且使得学生对模型的特理意义 不清楚。因此，讲述最小二乘辨识算法之前，我补充讲解了随机模型，并 且基于此很自然地推导出各种最小二乘算法所使用的模型，这种做法 不仅使得学生易于接受相关概念，更重要的是让学生从更高层次体会 到各种不同的最小二乘类辨识方法的内在联系。不过，后续的闭环系统 的辨识和系统辨识的发展基本同教材保持一致。 另外，教材中有些内容难度较大，已超出了教学大纲的要求，如多 变量自校正控制；还有些内容在工程实践中很少应用，如系统辨识的随 机逼近法、极大似然法和预报误差法等。为此，我对教材内容进行了适 当调整，删除上述内容，同时还简化了一部分内容，如经典辨识法和模 型的结构辨识等。这样做突出了该门理论的基本内涵及其应用，以满足 教学大纲的要求。 ２．２ 改进教学方法和手段 良师应该能够根据具体的受教育和不同的课程进行有针对性的教 学，如果不管什么人，什么场合，教学方法和手段一律雷同，就不可能有 好的教学效果。为此，笔者根据我校学生基础知识相对较差以及本课程 自身的特点采取了一系列的改进措施。课堂上采用启发式教学方法以 激发学生的学习主动性，注重教与学的融合，强调学生的参与意识，调 动学生积极思考，激发求知欲，提高教学效率，具体方法很多，可采用设 疑法达到此目的。善教者必善问，怎样设疑，于何处设疑往往会影响学 生思维的品质。如笔者讲述自适应控制时会提出一个问题：在家洗太阳 能热水澡，不同的季节，甚至同一季节不同的天气，调节水龙头控制水 温时，热水阀的位置一样吗？为什么？通过这样一个简单的日常生活问 题，很自然地引出自适应控制产生的现实背景。在此基础上，我们可适 时调控，引导学生进一步思考：如何及时发现被控对象所处的环境或特 性发生变化呢？于是很自然地引出需要辨识对象的动态特性，这样会加 深学生对系统辨识和自适应控制两门理论紧密联系的理解；还可进一 步设问：如何保证对快速的被控对象动态特性进行辨识，从而适时地调
课程的目的是使学生通过本课程理解系统辨识和自适应控制的基 本概念、基本方法，了解系统辨识和自适应控制之间的内在联系及其最 新技术发展动态，在此基础上，培养学生从观测到的含有噪声的系统输 入、输出数据中提取数学模型的能力，并掌握模型参考自适应控制系统 和自校正控制系统的综合设计方法。
２．教学改革实践
《系统辩识与自适应控制》这门课程理论性较强，涉及多方面的数 理知识，尤其是随机过程方面的知识比较抽象，是一门具有一定深度和 难度的课程。在学习过程中，学生经常感到难学、乏味，从而产生厌学的 情绪，容易造成学习主动性差。如果教师在教学过程中不采取有效的教 学改革措施，势必会影响该课程的教学质量；与此同时，学校及时响应 教育部的号召，竭力推动“卓越工程师教育培训计划”在我校的具体实 施，这就要求高校应该为社会造就创新能力强、适应经济社会发展需要 的各类型高质量工程技术人才。为了迎接这些挑战，经过多次研讨和实 践，笔者围绕教学大纲的基本要求，采取了一系列的教学改革措施：
２．３ 重视实践教学改革探索 从培养“卓越工程师”的需要出发，实践教学必须始终贯彻培养学 习的动手能力和创新能力。为此，我主要采取了两个方面的探索。 其一，在实验教学中，我结合我校的过程控制实验室，开设了综合 设计性的实验。我校过程控制实验装置由水塔、微型锅炉、双容容嚣、单 容容嚣、调速水泵、管路以及各种检测和控制设备，并配有大时滞模型， 通过不同的控制对象组合能够形成温度、液位、流量和压力等被控过 程。基于此，我开发了两个系统辨识和两个自适应控制设计性实验，如 锅炉水位自校正 ＰＩＤ 控制系统的设计实验，我只给出被控对象，要求学 生通过改变调速水泵的转速来改变被控对象的动态特性，调节机构为 进水电动调节阀，让学生自主设计自校正 ＰＩＤ 控制嚣并进行系统调试， 直到获得满意的动态与静态系统调节品质。计算机通过实时采样水位 信号和控制量，学生可以通过计算机屏幕直接看到这两个参数的实时 曲线，实验完成后通过打印机将曲线打印出来并交给老师，作为实验评 分依据。实践证明，这种综合设计性的实验对培养学生的创新能力和动 手能力大有益处。 其二，利用学生有限的下厂实习机会，为学生创造“在工业现场的 真实环境中学习控制系统”的氛围。具体做法就是，适当带学生参观电 厂和化工厂的自动控制系统。在这个环节中，我并不要求学生真正弄清 楚实时运行的各种控制算法，而主要让他们观察主流的分散控制系统 （ＤＣＳ）、检测装置以及各种电动执行机构在工业现场的具体应用状况， 从而让学生对工厂正在应用的控制系统有个整体直观认识，使学生的 学习目的更加明确，从而激发学生对本门课程的学习动力。 ３．结束语 通过对《系统辩识与自适应控制》课程进行深入的教学改革探讨和 实践，实现了该课程由灌输型的理论教学向理论与工程应用并重的综 合型教学的有效转变。实践证明，该教学模式激发了学生学习的兴趣， 不仅有效地传授了理论知识，而且培养了学生的创新思维和工程素养， 从而为贯彻落实“卓越工程师教育培训计划”做了一些有益尝试。 此外，虽然本学课的理论目前比较完善，但它成功应用于工程实践 的案例仍然相对比较少，而且还面临很多的困难。这就要求我们在教学 改革之余，还应积极投身于科研和工程实践活动，不断地跟踪理论的新 发展，成果的新应用，这样才能把学科的最新成果传授给学生，从而取 得更好的教学效果。
整控制策略呢？这就为系统辨识中批处理算法过渡到递推算法打下基 础。通过类似的启发式教学方法，可以启发学生独立自主探索科学问题 的动机，鼓励学生在探究过程中变被动学习为主动学习，并取得了良好 的教学效果。
此外，改进教学手段也是现代课堂教学所必需的。为了克服理论的 枯燥性，调节教学节奏并活跃课堂气氛，实现课堂教学的多媒体化已是 大势所趋 。为此，我精心制作了一套多媒体 ＣＡＩ，充分利用声音、图像和 动画效果进行教学，该课件充分融合了 ＭＡＴＬＡＢ 数字仿真，工程实例 以及一些工业现场的照片。如讲授模型参考自适应控制时，课件中不仅 给出了控制算法推导的主要过程，而且设计了三个动态软按钮：仿真按 钮、工程实例按钮以及工业现场按钮，鼠标点击仿真按钮就会弹出一个 新的窗口，上面分别给出了仿真模型、程序设计流程图、Ｍ 语言编写的仿 真程序以及一个运行按钮，继续点击运行按钮就会以曲线方式给出仿 真结果，这样学生不仅能够加深对算法的理解，而且有利于培养他们应 用计算机辅助分析和设计控制系统的综合能力；点击工程实例按钮就 会出现对仿真的实际工业对象的相关文字说明；点击工业现场按钮就 会出现实际设备照片以及来自于工业现场的实时曲线图片，从中可以 分析模型参考自适应控制系统的调节品质等。这种理论联系工程实际 的做法不仅让学生感受到所学知识的重要性，从而激发起了强烈的求 知欲，而且开阔了学生的思路和眼界，使教学能够跟上现代科学技术发 展的步伐。
参考文献 ［1］杨承志等.系统辨识与自适应控制［M］.重庆：重庆大学出版社, 2003.7 ［2］庞中华等.系统辨识与自适应控制 MATLAB 仿真［M］.北京：北 京航空航天大学出版社,2009.8 ［3］易红郡.国外大学课程改革述要［J］.北京：机械工业高教研究， 1999，（2） ［4］(苏)瓦·阿·苏霍姆林斯基.给教师的建议［M］.北京：教育科学出 版社,2000.1 ［5］王芷芸.如何在探究型课堂中运用设疑导学艺术［EB/ OL］.http: / / www.gzqz. com/ kezhu/ lswz/ teacher/ teacher/ 009.doc，2006 ［的教学研 究与实践［J］.河北农业大学学报:农林教育版,2007,9(4):66- 68
作者简介：王建国（1970- ），男，博士生，副教授，研究方向：智能控制在火电厂的应用。
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