《控制工程基礎(chǔ)》課程教學改革與實踐

王冰 韓偉娜 陳麗緩 陳宇航 何斌太

[摘要l《控制工程基礎(chǔ)》是高等學校機械工程類專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，主要研究自動控制系統(tǒng)分析與綜合的基本原理。結(jié)合課程教學中存在的實際問題，從課程內(nèi)容、教學方法和教學團隊等方面進行改革，通過課程改革，加強了學生能力的培養(yǎng)，實現(xiàn)了課程設(shè)置的目的。

【關(guān)鍵詞】控制工程基礎(chǔ);教學改革;教學實踐

〔中圖分類號〕6642 〔文獻標識碼〕A 〔文章編號〕1674-3229（2021）04-0109-03

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，控制理論在機械工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛?！犊刂乒こ袒A(chǔ)》作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，它是機械工程類，特別是機械電子工程專業(yè)的重要理論基礎(chǔ)之一，為培養(yǎng)符合現(xiàn)代化技術(shù)要求的機械工程人才發(fā)揮了非常重要的作用。因此，《控制工程基礎(chǔ)》課程教學的優(yōu)劣對于機械工程類，尤其是機械電子工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標的實現(xiàn)有著極為重要的影響。本文結(jié)合《控制工程基礎(chǔ)》課程教學實踐中遇到的新問題，從優(yōu)化教學內(nèi)容、改革教學方法、教學團隊建設(shè)、科研反哺教學等幾個方面對《控制工程基礎(chǔ)》課程進行了教學改革與實踐。

1 優(yōu)化教學內(nèi)容

目前在我?！犊刂乒こ袒A(chǔ)》課程教學實踐中存在兩個比較突出的問題。

一是伴隨著我校工程認證的教學改革，人才培養(yǎng)方案的總體學分不斷壓縮，相應(yīng)的《控制工程基礎(chǔ)》課程學時不斷減少，在最新版的人才培養(yǎng)方案中，《控制工程基礎(chǔ)》課程為32學時和2學分。

二是我校為新建本科院校，伴隨著高等院校的不斷擴招，生源質(zhì)量逐步下降。而《控制工程基礎(chǔ)》課程內(nèi)容較多且比較抽象，理論性又較強，教學內(nèi)容與課程學時之間、生源質(zhì)量和課程難度之間的矛盾越來越突顯。

為解決上述矛盾，迫切需要對《控制工程基礎(chǔ)》課程內(nèi)容進行優(yōu)化。

首先，優(yōu)選教材。選取華中科技大學楊書子院士等編著的《機械工程控制基礎(chǔ)》作為課程的主講教材。該書曾獲國家級優(yōu)秀教學成果二等獎和全國高等學校機電類專業(yè)優(yōu)秀教材一等獎，是適合機械工程類學生學習控制理論基礎(chǔ)的經(jīng)典之作。

其次，優(yōu)化教學內(nèi)容。以控制工程的基本概念、數(shù)學基礎(chǔ)（拉普拉斯變換的數(shù)學方法）、系統(tǒng)的數(shù)學模型、系統(tǒng)的時間響應(yīng)分析、系統(tǒng)的頻率特性分析、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、系統(tǒng)的校正、利用MATLAB分析和設(shè)計控制系統(tǒng)作為課程的基本內(nèi)容。

課程內(nèi)容涵蓋了“建模、分析、綜合”三個基本問題，實現(xiàn)了課程設(shè)置的目的，即使學生能以動態(tài)的觀點去看待一個機電控制系統(tǒng)，特別培養(yǎng)學生通過對機電控制系統(tǒng)中信息的傳遞、轉(zhuǎn)換和反饋過程等的分析建立機電控制系統(tǒng)數(shù)學模型的能力;對機電控制系統(tǒng)進行動態(tài)分析的能力;對機電控制系統(tǒng)進行設(shè)計和綜合的能力及使用計算機進行仿真的能力[1]。

2 改革教學方法

傳統(tǒng)的《控制工程基礎(chǔ)》課程教學方法為線下課堂的板書講授，隨著課程學時的不斷壓縮，板書授課效率低的弊端突顯。受新冠疫情的影響，線下課堂講授的單一教學模式也難以滿足新情況下的教學實際需求。為解決上述問題，在教學方法上做了如下改革與實踐。

首先，將傳統(tǒng)的板書教學改為以多媒體教學為主、板書教學為輔的教學方法。同時，針對《控制工程基礎(chǔ)》課程理論深、計算多、繪圖難的特點，在教學中引入了MATLAB對控制系統(tǒng)進行輔助分析與設(shè)計。通過多媒體技術(shù)和計算輔助分析與設(shè)計技術(shù)的引入，使得枯燥的理論教學變得生動形象，極大地提高了授課效率。

其次，新增了一個控制系統(tǒng)分析與設(shè)計的實際工程案例。以典型機電控制系統(tǒng)—數(shù)控直線運動工作臺位置控制系統(tǒng)為案例，將其貫穿于課程教學的始末，從系統(tǒng)建模、系統(tǒng)時間響應(yīng)分析、系統(tǒng)頻率特性分析、系統(tǒng)穩(wěn)定性分析到系統(tǒng)校正，以此為例展開，幫助學生系統(tǒng)地學習機電控制系統(tǒng)分析與綜合的完整初步知識，使學生知行合一、學以致用。

最后，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)教學平臺。利用超星泛雅平臺構(gòu)建《控制工程基礎(chǔ)》課程網(wǎng)絡(luò)教學平臺，逐步形成了線上與線下教學相結(jié)合的教學模式。在網(wǎng)絡(luò)教學平臺上提供了課程視頻、電子圖書、電子課件、電子教案等各種教學資料，同時網(wǎng)絡(luò)教學平臺還具有簽到、討論、答疑、作業(yè)、考試、直播等各種功能。網(wǎng)絡(luò)教學平臺成為線上教學的有益補充，學生可根據(jù)自身情況，靈活地選擇學習時間、學習內(nèi)容和學習方法進行自主學習，并與任課教師靈活互動，培養(yǎng)了學生學習能力和思維能力。

3 教學團隊建設(shè)

本校2004年升級為普通本科院校之初，機電工程學院只有“機械設(shè)計制造及自動化”一個本科專業(yè)需講授《控制工程基礎(chǔ)》課程，課程專任教師只有1人。伴隨著我國高等教育的蓬勃發(fā)展和我校辦學實力的提升，我校機電工程學院現(xiàn)有本科專業(yè)7個，碩士學位授權(quán)點2個，原有的師資已經(jīng)遠遠不能滿足控制理論教學的實際需求。近年來，我校極為重視《控制工程基礎(chǔ)》課程的教師團隊的建設(shè)，一方面加強高層次人才的引進，另一方面注重原有教師自身能力和學歷的提升。該課程教師團隊現(xiàn)有專任教師5人，其中教授2人，副教授1人，講師2人;博士2人，碩士3人;40-50歲2人，30-40歲3人。師資隊伍的職稱、學歷和年齡結(jié)構(gòu)合理，可勝任我校機電工程學院本科生和研究生的控制理論教學的實際需求。

4 科研反哺教學

在教學實踐中發(fā)現(xiàn)新問題，提出新方法，并將科研成果反哺于教學。在指導學生課程實驗過程中，發(fā)現(xiàn)學生在做“單節(jié)直線倒立擺”和“球桿系統(tǒng)”的PID控制器設(shè)計實驗時，在設(shè)計PID控制器參數(shù)過程中存在很大的盲目性，而理論上的推導又十分困難。針對這一現(xiàn)象，并考慮到機械工程類學生習慣于通過查閱圖表進行設(shè)計的特點，將機構(gòu)學領(lǐng)域的“空間模型理論”[3]引入到控制工程領(lǐng)域，提出了“控制空間（CS—Control Space）”的概念和“控制器設(shè)計的性能圖譜法”[4-5]，并將該成果應(yīng)用于學生課程實驗和課程大作業(yè)的指導。

圖1為所述“設(shè)計空間”的平面圖，由圖1可見“控制空間”內(nèi)的任意一點pcs都唯一對應(yīng)一組PID控制器參數(shù)，如利用MATLAB將控制系統(tǒng)的控制性能指標等值線繪制于“控制空間”平面圖內(nèi)，則可得到控制系統(tǒng)的“控制性能圖譜”。所述控制性能圖譜建立了控制性能指標與控制器參數(shù)間的一一對應(yīng)關(guān)系。學生查閱這些圖譜，就可以很方便地檢索到所需的控制器參數(shù)值或參數(shù)值的參考區(qū)間，為控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計提供一種方便可行的新方法。圖2為球桿系統(tǒng)的相對諧振峰值性能圖譜。

5結(jié)語

高等工程教育是要培養(yǎng)厚基礎(chǔ)、善應(yīng)用、具有柔性和創(chuàng)造性的高級工程技術(shù)人才，而這一目標的實現(xiàn)要落實到具體的課程教學中來，因此需要不斷與時俱進地開展課程的教學改革與實踐。本文從優(yōu)化教學內(nèi)容、改革教學方法、教學團隊建設(shè)、科研反哺教學等幾個方面進行了探索，實現(xiàn)了課程設(shè)置的目的、加強了學生能力的培養(yǎng)、保障了人才培養(yǎng)目標的實現(xiàn)。

[參考文獻]

[1]董霞，李天石，陳康寧.機械工程控制基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[2]楊叔子，楊克沖，吳波，等.機械工程控制基礎(chǔ)[M].武漢：華中科技大學出版社，2018.

[3]高峰，劉辛軍，金振林.機器人機構(gòu)CAD研究[J].機械工程學報，2000（4）：9-13.4

[4]王冰，方躍法.PID控制器設(shè)計的頻域性能圖譜法[J].控制工程，2018（11）：1953-1958.

[5]王冰，韓偉娜，楊墨.一種機電系統(tǒng)PID參數(shù)整定方法[P].專利號：ZL2015102738537，2018.

[收稿日期]2021-07-15

[基金項目]河北省高等教育教學改革研究與實踐項目（2019GJJG371）

[作者簡介]王冰（1976-），男，博士，北華航天工業(yè)學院機電工程學院教授，碩士生導師，研究方向：機器人機械學。