《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》教學(xué)改革

曾海霞

【摘 要】“機(jī)械工程控制論”是高校機(jī)械工程類本科專業(yè)必修的一門重要學(xué)科，它闡述了機(jī)械工程領(lǐng)域中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題。本文分析研究本?！稒C(jī)械工程控制基礎(chǔ)》的課程性質(zhì)與現(xiàn)狀，針對(duì)現(xiàn)代學(xué)科的新形勢(shì)新變化，采用循序漸進(jìn)的方式進(jìn)行教學(xué)改革。對(duì)理論教學(xué)進(jìn)行合理的縮減，精心設(shè)計(jì)并引入依托于MATLAB和Simulink的實(shí)踐性環(huán)節(jié)，收集評(píng)定改革效果，為后續(xù)改革打下基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械工程；控制；教學(xué)改革；實(shí)踐性環(huán)節(jié)

中圖分類號(hào)： G642；TH-4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）27-0166-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.074

【Abstract】“Mechanical engineering control theory” is an important subject required for undergraduate majors in mechanical engineering in colleges and universities，it describes the dynamics of generalized systems in the field of mechanical engineering.This paper analyzes and studies the nature and current situation of the course of "Mechanical engineering control foundation"，aim at the new situation of modern subject， adopt a gradual approach to teaching reform.Carry out a reasonable reduction of theory teaching，carefully designed and introduced practical links based on MATLAB and Simulink， collecting and evaluating the effect of reform，laying the foundations for subsequent reforms.

【Key words】Mechanical engineering；Control；Teaching reform；Practical links

1 課程性質(zhì)與現(xiàn)狀

“機(jī)械工程控制論”是各大高校機(jī)械工程類本科專業(yè)必須掌握的一門重要學(xué)科，它是一種方法論，通過將控制的理論和方法運(yùn)用到機(jī)械工程來闡述領(lǐng)域中廣義系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)問題[1]。許多院校不約而同的選擇楊叔子院士編著的《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》一書作為授課教材，此教材至今已經(jīng)歷六次修訂，在機(jī)械工程控制領(lǐng)域多次獲獎(jiǎng)，與時(shí)俱進(jìn)，廣受好評(píng)。本校采用該本教材進(jìn)行《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》的課程授課已有多年，積累了豐富課程經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，伴隨時(shí)代的變遷、新思路浪潮的涌現(xiàn)、新生代學(xué)生觀念的巨大差異，陳舊的教學(xué)手段已經(jīng)無法匹配現(xiàn)代教學(xué)。

課程總學(xué)時(shí)數(shù)32，目前均為課堂授課式教學(xué)，主要講授線性定常系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、時(shí)域分析、頻域分析和穩(wěn)定性，屬于經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)核心內(nèi)容，且越來越多的高校在相關(guān)的考研考試中選擇本門課程作為專業(yè)考試科目。學(xué)習(xí)本課程前需要儲(chǔ)備微積分、復(fù)變函數(shù)、機(jī)械工程內(nèi)各學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)時(shí)少內(nèi)容多且內(nèi)容的理論性強(qiáng)。在授課過程中很容易不自覺的陷入強(qiáng)調(diào)理論和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，弱化實(shí)際應(yīng)用的狀況。然而，作為一所獨(dú)立的具備個(gè)性化教學(xué)手段的學(xué)院而言，學(xué)生們厭煩理論性內(nèi)容，更喜歡自己動(dòng)手進(jìn)行實(shí)踐。為了應(yīng)對(duì)新形勢(shì)新變化、促進(jìn)學(xué)習(xí)積極性、體現(xiàn)學(xué)科的實(shí)踐性價(jià)值，考慮適當(dāng)刪減理論課程內(nèi)容，逐步引入實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。

2 實(shí)踐性課程環(huán)節(jié)

本次引入的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，基于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，避免未經(jīng)論證的大刀闊斧型改革，反而產(chǎn)生反作用，擬首先選用較少的4個(gè)學(xué)時(shí)做為試驗(yàn)田，且對(duì)此4個(gè)學(xué)時(shí)精心設(shè)計(jì)，力求達(dá)到明顯的效果。

2.1 刪減理論課學(xué)時(shí)

考慮本校學(xué)生的實(shí)際水平，特別是數(shù)學(xué)能力較弱，因此，剔除高階系統(tǒng)的時(shí)域分析、頻率特性的特征量這兩部分較難推導(dǎo)和計(jì)算的內(nèi)容；同時(shí)，在二階系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)和階躍響應(yīng)推導(dǎo)中，重點(diǎn)分析討論欠阻尼的情況，其他阻尼條件由于后續(xù)很少提到，因此在教學(xué)中可一語帶過。由此，可空余出4個(gè)學(xué)時(shí)，將其作為初步引入實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)的學(xué)時(shí)使用。后續(xù)若效果較好，則可繼續(xù)進(jìn)行更深度的實(shí)踐性改革。

2.2 增加實(shí)踐環(huán)節(jié)

首先，為了及時(shí)的提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，將該實(shí)踐性環(huán)節(jié)設(shè)置在課程中間階段，較合適的節(jié)點(diǎn)為第3章"系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)分析"之后，內(nèi)容上選擇機(jī)械工程領(lǐng)域內(nèi)的時(shí)域分析相關(guān)典型案例，且通過該實(shí)驗(yàn)?zāi)軐⑾到y(tǒng)時(shí)域分析的主要知識(shí)點(diǎn)加以全面的掌握和使用。

其次，對(duì)于用于控制論教學(xué)的實(shí)驗(yàn)工具來說，試驗(yàn)箱需要大量的資金、獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室、長時(shí)的前期準(zhǔn)備，這對(duì)于本門課程的改革探索來說，前期消耗過大且耗時(shí)太長，并不適宜。而另一個(gè)更好的選擇則是任何機(jī)房都可以安裝使用的軟件平臺(tái)MATLAB，MATLAB具備強(qiáng)大的控制系統(tǒng)工具箱，對(duì)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模、分析、設(shè)計(jì)、校正等提供了全面完善的解決方案[2]。本文采用MATLAB7.0作為實(shí)踐性教學(xué)授課的主要工具，期望達(dá)到以下3點(diǎn)目的：

（1）帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識(shí)MATLAB，鼓勵(lì)其今后自己安裝，自學(xué)并掌握該工具；

（2）通過典型實(shí)例的講解和演練使學(xué)生初步了解系統(tǒng)的建模和分析；

（3）通過本教學(xué)環(huán)節(jié)鞏固課堂所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)；

（4）通過實(shí)踐改變學(xué)生對(duì)本學(xué)科只有理論的偏見，提高其學(xué)習(xí)的興趣，從而達(dá)到輔助課堂教學(xué)，提升教學(xué)效果。

2.3 基于MATLAB的實(shí)踐性環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)選擇某隨動(dòng)系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)方框圖如圖1。

（1）熟悉MATLAB的系統(tǒng)環(huán)境，學(xué)會(huì)創(chuàng)建.m文件；

（2）熟悉MATLAB中的Simulink，找出常用模塊：脈沖信號(hào)、階躍信號(hào)、斜坡信號(hào)、比例、積分、微分、慣性、振蕩、反饋、比較、輸出示波器等；

（3）采用Simulink搭建圖1所對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，令K=1、T1=0.2、T2=0.5，分別繪制出單位脈沖、單位階躍響應(yīng)曲線，比較并分析；

（4）改變K的值，使之分別=0.5、1、2、5，繪制出四組單位階躍響應(yīng)；

（5）通過.m文件分別調(diào)用上述四組模型，并編程求出各組的性能指標(biāo)（上升時(shí)間、峰值時(shí)間、超調(diào)量、調(diào)整時(shí)間）；

（6）用表格列出在不同K值下由系統(tǒng)求出的性能指標(biāo)，并與自己的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，確定結(jié)果的一致性；

（7）撰寫本次課程的報(bào)告，并附上自己的心得體會(huì)。

此環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)可根據(jù)實(shí)際情況略作調(diào)整，但總體應(yīng)考慮知識(shí)點(diǎn)的全面覆蓋，將實(shí)踐真正服務(wù)于理論。

3 配套機(jī)制及成果采集

為加強(qiáng)實(shí)踐性環(huán)節(jié)的效果，將原有的考試、課堂、作業(yè)評(píng)估體系修改為考試、實(shí)踐、課堂、作業(yè)四位一體，降低10%的考試占比。收集并評(píng)估學(xué)生在實(shí)踐性環(huán)節(jié)之后的4、5章學(xué)習(xí)中的課堂表現(xiàn)和作業(yè)效果，結(jié)合最終考試結(jié)果，總體分析教學(xué)改革的有效性。

4 結(jié)束語

本文以本校機(jī)電專業(yè)的《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程為背景，分析研究課程現(xiàn)狀，提出實(shí)踐性教學(xué)改革，深入分析并設(shè)計(jì)具體的改革措施。在得到較好的效果反饋后，可進(jìn)一步繼續(xù)探索，研究加入更多的實(shí)踐性環(huán)節(jié)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊叔子.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)[M].第七版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2016（10-15）.

[2]周先輝.面向工程能力培養(yǎng)的《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程教學(xué)方法探索[J].高教論壇.2010（01）.