《機械工程控制基礎》課程分析與教學方法研究

陳乃建　門秀花　王娜　宋方臻　趙珅

【摘 要】針對《機械工程控制基礎》課程理論性強、知識覆蓋面廣的特征，以控制系統(tǒng)建模、分析與校正為主線，完成課程內(nèi)容優(yōu)化，并在此基礎上，與學生的學習特點相結(jié)合，探索等效建模、虛擬仿真與案例分析等教學方法，改善《機械工程控制基礎》課程的教學效果。

【關鍵詞】《機械工程控制基礎》；課程分析；教學方法

0 前言

《機械工程控制基礎》課程是機械工程類專業(yè)人才培養(yǎng)方案中“具有較強的工程設計和產(chǎn)品開發(fā)能力”要求的一門專業(yè)必修課，是以設計技術、制造技術和機電控制技術為人才培養(yǎng)模式的重要一環(huán)。而工程控制理論是介于許多學科之間的一門學科，反過來又滲透到各個工程領域，如電氣、機械、液壓、氣動、航空、核反應、化工等。這門學科既是一門廣義的系統(tǒng)動力學，又是一門合乎唯物辯證法的方法論，對于啟迪與發(fā)展學生的思維與智力有很大的作用，但由于本課程內(nèi)容難、知識點多、學時相對較少，學生難以在短時間內(nèi)完成對理論知識與實踐過程的掌握，為了提高課堂教學質(zhì)量，改善教學模式，許多課程組都對機械工程控制基礎課程教學模式進行改革，如張智煥等[1]采用機械工程控制基礎虛擬仿真實驗平臺提高機械工程控制基礎教學能力，拓展實踐領域，李國棟[2]對機械工程控制基礎網(wǎng)絡實驗室進行了設計，于曉琳等[3]基于CDIO對機械工程控制基礎課程進行了教學改革、李蕊等實現(xiàn)了MATLAB在《機械工程控制基礎》教學中的應用、雷文平等[4]以大量實驗驗證方式改進機械工程控制基礎課程的教學方法等，本課題組也采用MATLAB仿真技術，設計了基于MATLAB/GUI的《控制工程基礎》課程數(shù)字仿真實驗平臺[5]，都獲得了豐富的教改經(jīng)驗及良好的教學效果。本文以濟南大學機械工程學院的《機械工程控制基礎》與卓越工程師班的《機電工程一》課程為依托，借鑒其他機械工程控制基礎課程改革經(jīng)驗，對《機械工程控制基礎》和《機電工程一》課程教學內(nèi)容、方法和實驗手段進行改革探索。

1 課程內(nèi)容優(yōu)化

《機械工程控制基礎》課程的教學目標是使學生學習運用工程控制論的基本理論和基本方法，分析研究控制工程領域中有關信息的傳遞與反饋和系統(tǒng)的控制性能，培養(yǎng)學生判別系統(tǒng)穩(wěn)定性和變更系統(tǒng)參數(shù)以改善系統(tǒng)性能的分析與綜合能力。因此，《機械工程控制基礎》課程內(nèi)容以機械與電氣系統(tǒng)為研究對象，圍繞控制系統(tǒng)的數(shù)學模型、基本要求及系統(tǒng)校正等方面展開，完成對控制系統(tǒng)認識、評價與改造過程。以微分方程、傳遞函數(shù)、方框圖、狀態(tài)方程等建模方法構(gòu)建被控對象的數(shù)學模型，完成對控制系統(tǒng)認識；而控制系統(tǒng)的評價采用超調(diào)量、上升時間、調(diào)整時間、峰值時間、穩(wěn)態(tài)誤差、幅值與相位裕度等時域和頻域分析法，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性和快速性進行分析；而對控制系統(tǒng)的改造則用滯后校正、超前校正、滯后—超前校正、PID校正等方式，改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性。因此，《機械工程控制基礎》課程從理論上可分為控制系統(tǒng)的數(shù)學模型、時域與頻域性能分析、控制系統(tǒng)綜合校正三個部分，將對控制系統(tǒng)的認識、評價及改造過程融為一體，從而有利于形成課程的整體脈絡，促進教學內(nèi)容的選擇。

2 學情分析

《機械工程控制基礎》課程的教學對象為機械工程、機械設計制造及其自動化、車輛工程專業(yè)大學三年級學生，已經(jīng)學習了《高等數(shù)學》《大學物理》、《電工電子學》、《材料力學》、《機械原理》等部分理論課和專業(yè)課基礎課，具備機械系統(tǒng)、機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)的基礎知識如牛頓定律、胡克定律、基爾霍夫定律等，同時，《高等數(shù)學》和《工程數(shù)學》為控制系統(tǒng)建模打下了良好的基礎，具有較強的邏輯思維能力，有利于該課程的開展。但《機械工程控制基礎》課程中數(shù)學公式眾多，計算推導難度大，同時課程內(nèi)容龐大并且偏理論，需要同學們具有扎實的理論基礎。針對在學習《機械工程控制基礎》中出現(xiàn)的問題，充分利用現(xiàn)有教學資源，加強物理實驗和仿真環(huán)節(jié)的教學，提高學生參與的興趣，鼓勵學生采用MATLAB編程環(huán)境對控制系統(tǒng)進行仿真，提高主動創(chuàng)新性。

3 等效法建模教學

控制系統(tǒng)的數(shù)學建模是《機械工程控制基礎》中難度最大的部分，涉及機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)等相關元件，需要用到各種物理定律、微積分運算，對學生的知識結(jié)構(gòu)和知識儲備提出了更高的要求。為簡化同學們數(shù)學推導過程，方便對控制系統(tǒng)建模，將控制系統(tǒng)劃分為機械系統(tǒng)（包括機械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)）和電氣系統(tǒng)，分別由三個基本元素相互串聯(lián)、并聯(lián)構(gòu)建復雜的物理系統(tǒng)。一般地，機械系統(tǒng)由彈簧K、阻尼D和質(zhì)量M三個基本要素組成，根據(jù)牛頓定律，彈簧K的傳遞函數(shù)為k，阻尼的傳遞函數(shù)為Ds，而質(zhì)量的傳遞函數(shù)為Ms2，如果將阻尼D、質(zhì)量M都等效為彈簧系統(tǒng)，則可以將機械系統(tǒng)的三個基本要素轉(zhuǎn)化為彈簧，都滿足胡克定律，同時，與理論力學和材料力學知識相結(jié)合，等效彈簧剛度具有如下的性質(zhì)：串聯(lián)彈性剛度的倒數(shù)等于各彈性剛度的倒數(shù)之和，并聯(lián)的彈簧剛度等于各彈簧剛度之和，可以有效化簡機械系統(tǒng)建模過程。同樣地，電氣系統(tǒng)也包含電阻、電感和電容三個基本要素組成，根據(jù)基爾霍夫定律，電阻的傳遞函數(shù)為R，電感的傳遞函數(shù)為Ls，而電容的傳遞函數(shù)為1/Cs，因此，也可以將電氣系統(tǒng)的三個基本要素等效為電阻，都滿足歐姆定律的基本性質(zhì)，從而可以有效改善授課效果，提高學生知識應用能力，激發(fā)學習興趣。

4 虛擬仿真與案例教學

由于《機械工程控制基礎》課程理論性強，數(shù)學基礎及相關專業(yè)知識涉及廣泛，對學習方法和教學方法都提出了較高的要求，因此，在教學過程中，以實際的機電系統(tǒng)設計過程為背景，將機械、液壓、電氣控制相關案例與MATLAB/GUI仿真實驗與物理實驗相結(jié)合，按照機械控制系統(tǒng)基本理論、控制系統(tǒng)的數(shù)學描述、測控系統(tǒng)性能分析、測控系統(tǒng)設計循序漸進式組織教學，同時引入實例化《機械工程控制基礎》課程綜合實驗平臺，采用電氣、液壓及模塊化機器人等實驗平臺形成課程案例，將理論知識與物理器件聯(lián)系起來，以典型環(huán)節(jié)模擬電路及液壓回路的組建方法，學會使用基本實驗設備，以仿真實驗分析參數(shù)對系統(tǒng)瞬態(tài)性能及穩(wěn)定性的影響，以模塊化機器人等實驗驗證系統(tǒng)串聯(lián)校正方法及控制系統(tǒng)的性能指標，通過基于MATLAB/GUI的《控制工程基礎》課程數(shù)字仿真系統(tǒng)[5]實現(xiàn)時域與頻域的分析，實現(xiàn)教學案例從建模、分析與校正過程，強調(diào)控制系統(tǒng)的基本理論與實際的機、電、液、氣控制系統(tǒng)的聯(lián)系，提高學生對控制系統(tǒng)性能評價的整體觀，有利于進一步理解《機械工程控制基礎》理論知識與工程應用之間的聯(lián)系，促進理論知識的學習和理解。

5 結(jié)論

通過對《機械工程控制基礎》課程內(nèi)容優(yōu)化、分析學生的學習特點，以等效方法構(gòu)建系統(tǒng)的數(shù)學模型完成對系統(tǒng)的認識，化簡了繁雜的數(shù)學推導過程，與案例教學與仿真實驗相結(jié)合，有利于激發(fā)學生的學習興趣，促進學生理論聯(lián)系實際能力的提高。

【參考文獻】

[1]張智煥，張惠娣.機械工程控制的虛擬仿真實驗教學實踐[J].實驗技術與管理，2014，07：102-103+111.

[2]李國棟.機械工程控制基礎網(wǎng)絡實驗室研究與實驗設計[D].青島大學，2011.

[3]于曉琳.基于CDIO的“機械工程控制基礎”課程教學改革探索[J].教育教學論壇，2016，35：75-77.

[4]雷文平，郝旺身，董辛旻.關于“機械工程控制基礎”課程的教學探索[J].中國電力教育，2010（32）：68-69.

[5]陳乃建，王娜，門秀花，趙珅，丁良，王棟梁.基于MATLAB/GUI的《控制工程基礎》課程數(shù)字仿真系統(tǒng)研究[J].科技信息，2013，15：170-171.

[責任編輯：李書培]