新工科背景下案例化教學(xué)在“自動(dòng)控制原理”課程中的實(shí)踐

摘 要：隨著新工科的提出，工程教育面臨著轉(zhuǎn)型與創(chuàng)新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的教學(xué)模式往往側(cè)重于理論知識(shí)的傳授，缺乏對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。案例化教學(xué)作為一種有效的教學(xué)方法，能夠促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力的提升。依據(jù)“自動(dòng)控制原理”課程理論性復(fù)雜、公式多以及難以理解的特點(diǎn)，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新、動(dòng)手能力為目標(biāo)，探討了案例化教學(xué)在“自動(dòng)控制原理”課程中的應(yīng)用，分析了其實(shí)施過程中的具體實(shí)踐路徑和效果，并提出了相應(yīng)的進(jìn)一步改進(jìn)建議。研究表明，案例化教學(xué)能夠有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力，為新工科人才的培養(yǎng)提供了有力支持。

關(guān)鍵詞：新工科；案例化教學(xué)；自動(dòng)控制原理；工程教育；實(shí)踐能力

中圖分類號(hào)：G642.0" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

新工科背景下，工程教育的改革已成為必然趨勢(shì)，同時(shí)也需要與時(shí)俱進(jìn)行改革。“自動(dòng)控制原理”作為測(cè)控技術(shù)與儀器、自動(dòng)化、電氣工程及技術(shù)、智能科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的一門重要工程基礎(chǔ)課程，具有理論性強(qiáng)、涉及知識(shí)領(lǐng)域廣、理解抽象等特點(diǎn)，其教學(xué)方法的改革顯得尤為重要。傳統(tǒng)的教學(xué)模式往往無法滿足培養(yǎng)現(xiàn)代工程人才的需求，尤其是在實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)方面更顯欠缺。案例化教學(xué)作為一種教學(xué)方法，通過真實(shí)案例的分析與討論，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力的提升，提高其解決實(shí)際問題的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)培養(yǎng)具備創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的人才目標(biāo)。

一、案例化教學(xué)

案例化教學(xué)源于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在真實(shí)情境中進(jìn)行學(xué)習(xí)。通過分析和解決具體案例，將學(xué)生解決問題的能力和社會(huì)責(zé)任感的培養(yǎng)融入案例教學(xué)中，學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，自主地進(jìn)行知識(shí)構(gòu)建，促進(jìn)知識(shí)的內(nèi)化與應(yīng)用。在實(shí)際教學(xué)過程中，教師圍繞教學(xué)目標(biāo)和能力培養(yǎng)目標(biāo)，將學(xué)生需要掌握的“自動(dòng)控制原理”知識(shí)圍繞一個(gè)或幾個(gè)核心案例展開，在分析探討案例過程中通過問題的提出、方法的選擇、理論的應(yīng)用、仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等有效手段，進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。教師在學(xué)習(xí)過程中引導(dǎo)學(xué)生通過自學(xué)、聽講、分組協(xié)作討論、習(xí)題解答、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和答辯等方式完成學(xué)習(xí)任務(wù)。經(jīng)過整個(gè)學(xué)習(xí)過程，可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生自學(xué)能力、動(dòng)手能力、人際溝通能力、知識(shí)運(yùn)用能力、解決工程能力及愛國(guó)情懷等的培養(yǎng)。

二、“自動(dòng)控制原理”的教學(xué)目標(biāo)

本校的測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)的“自動(dòng)控制原理”課程的理論教學(xué)目標(biāo)包括三個(gè)：理論教學(xué)目標(biāo)一是要求學(xué)生掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念、分析方法和校正原理，并能用于解決復(fù)雜的測(cè)控工程問題，能夠?qū)⒐こ淘砗蛯I(yè)知識(shí)用于分析工程問題的解決途徑，并進(jìn)行改進(jìn)，能用專業(yè)知識(shí)判別過程的極限和優(yōu)化途徑。理論教學(xué)目標(biāo)二是要求學(xué)生掌握控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法，并能運(yùn)用于分析測(cè)控工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題，學(xué)生在這一過程中學(xué)會(huì)能夠正確表達(dá)工程問題的解決途徑，并運(yùn)用基本原理證實(shí)解決方案的合理性。理論教學(xué)目標(biāo)三是要求學(xué)生掌握控制系統(tǒng)的建模和分析方法，并能運(yùn)用于復(fù)雜測(cè)控工程問題的分析和研究。特別是針對(duì)工程問題，培養(yǎng)具備基本實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)、鍛煉動(dòng)手能力，能夠操作實(shí)驗(yàn)裝置，安全進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

三、“自動(dòng)控制原理”案例化教學(xué)實(shí)踐

（一）案例的選擇

在案例化教學(xué)中，項(xiàng)目的選擇是一個(gè)關(guān)鍵因素，所選項(xiàng)目與教學(xué)目標(biāo)的關(guān)聯(lián)度、復(fù)雜度、質(zhì)量高低都會(huì)直接影響到教學(xué)的效果。在選擇項(xiàng)目時(shí)要圍繞“自動(dòng)控制原理”的教學(xué)目標(biāo)，從提高學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型的能力、分析系統(tǒng)的能力和設(shè)計(jì)及校正控制系統(tǒng)的能力幾個(gè)方面來選擇合適的項(xiàng)目。學(xué)生在案例化教學(xué)過程中，能夠培養(yǎng)解決工程問題的興趣，進(jìn)而為了解決工程問題而主動(dòng)自發(fā)地學(xué)習(xí)該門課程的專業(yè)知識(shí)，掌握解決問題的途徑和方法，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生項(xiàng)目的組織管理能力以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作溝通能力。

基于以上的原則，選取“磁盤讀寫控制系統(tǒng)”項(xiàng)目作為本課的教學(xué)案例，實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)控制原理”時(shí)域部分的教學(xué)目標(biāo)。該項(xiàng)目是一個(gè)典型的電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，難度和大小適中，而且應(yīng)用面非常廣泛。案例中的永磁直流電機(jī)控制在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，對(duì)控制調(diào)節(jié)器要求較高，既體現(xiàn)了自動(dòng)控制原理的教學(xué)目標(biāo)，又能提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)。在實(shí)際教學(xué)中，教師帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析方法和總體設(shè)計(jì)，主要包括對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖的建立、數(shù)學(xué)模型的建立、控制方案的確定、仿真實(shí)驗(yàn)等。

（二）控制對(duì)象的物理特性及結(jié)構(gòu)圖

由于磁盤可以方便有效地儲(chǔ)存信息，所以磁盤驅(qū)動(dòng)器廣泛用于從便攜式計(jì)算機(jī)到大型計(jì)算機(jī)等各類計(jì)算機(jī)中，是工程問題和控制工程的一個(gè)重要應(yīng)用實(shí)例。磁盤驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)使用讀寫頭讀取存儲(chǔ)在磁盤軌道上的數(shù)據(jù)，正常工作時(shí)磁盤自身轉(zhuǎn)速為1800～7200r/min，讀寫頭快速移動(dòng)到磁盤表面，準(zhǔn)確地定位在相應(yīng)軌道上，應(yīng)該能夠在50ms內(nèi)從一個(gè)軌道移動(dòng)到另一個(gè)軌道上，而且工作距離小于100nm。

分析系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)影響控制精度的變量就是讀寫頭的位置，位置精度的初始指標(biāo)是1μm。此外，讀寫頭減少了參數(shù)變化和外部振動(dòng)對(duì)磁頭定位造成的影響。作用于磁盤驅(qū)動(dòng)器的擾動(dòng)包括物理振動(dòng)、磁盤轉(zhuǎn)軸軸承的磨損和擺動(dòng)，以及元器件老化引起的參數(shù)變化等。磁盤驅(qū)動(dòng)器使用永磁直流電機(jī)使得讀寫臂旋動(dòng)，讀寫頭安裝在滑動(dòng)裝置上，而滑動(dòng)裝置連接在讀寫臂上。構(gòu)成曲部的彈性金屬片使得讀寫頭浮動(dòng)于磁盤面上方100nm的間隙之間，貼片電阻讀寫頭讀取磁通量并把信號(hào)傳遞至放大器。

學(xué)生在了解系統(tǒng)的物理特性之后，應(yīng)該建立對(duì)控制系統(tǒng)的概念，了解系統(tǒng)的組成，分析系統(tǒng)的工作原理，下一步要建立控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。磁盤驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)通過控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)磁頭準(zhǔn)確、快速地定位于期望的磁道，以讀取正確的磁盤信息。該系統(tǒng)的輸入量是期望的磁頭位置，被控量是磁頭所在的實(shí)際位置，輸入量與被控量的偏差信號(hào)作為控制信號(hào)輸送給控制器?？刂破魇窃鲆婵烧{(diào)節(jié)的放大器，用以放大控制信號(hào)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)是直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)支撐臂和磁頭運(yùn)動(dòng)；測(cè)量元件是傳感器，用以測(cè)量被控量。建立的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

（三）系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模

現(xiàn)在假設(shè)系統(tǒng)讀寫準(zhǔn)確，則傳感器的傳遞函數(shù)為H（s）=1。系統(tǒng)中的放大器采用線性比例放大器，永磁電機(jī)使用電樞控制直流電機(jī)的模型，磁盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1可以轉(zhuǎn)為圖2所示。

查閱資料可知該系統(tǒng)的主要參數(shù)：支撐臂與磁頭的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=1（N·m·s2）/rad，摩擦系數(shù)f=20N·m·s/rad，放大器放大倍數(shù)ka=10～1000，電樞電阻R=1Ω，電機(jī)系數(shù)km=5N·m/A，電樞電感L=1mH。將上述數(shù)據(jù)代入圖2，得到系統(tǒng)最終結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

根據(jù)圖3整理得，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

G（s）=ka·5000s（s+20）（s+1000）=ka·5000s3+1020s2+20000s

（四）系統(tǒng)的時(shí)域穩(wěn)定性分析

由上式得到系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程為D（s）=s3+1020s2+20000s+5000ka。由勞斯判據(jù)可得，系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的條件為0＜ka＜4080。

（五）系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析

該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的品質(zhì)要求為：超調(diào)量≤5%，調(diào)節(jié)時(shí)間≤0.5s，對(duì)于單位階躍干擾的最大響應(yīng)絕對(duì)值≤5×10-3。

下面利用MATLAB軟件對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。當(dāng)N（s）=0時(shí)，令輸入為單位階躍R（s）=1/s，系統(tǒng)為Ⅰ型系統(tǒng)，系統(tǒng)輸出完全跟蹤輸入，穩(wěn)態(tài)誤差為0，此時(shí)選擇不同的控制器的ka值，得到階躍響應(yīng)曲線如圖4所示。當(dāng)R（s）=0時(shí)，令干擾輸入為單位階躍N（s）=1/s，此時(shí)得到響應(yīng)曲線如圖5所示。分析圖4發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ka=30或40時(shí)能夠滿足超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間的要求，但是分析圖5發(fā)現(xiàn)，要求ka=40不滿足對(duì)于單位階躍干擾的最大響應(yīng)絕對(duì)值≤5×10-3的要求，必須ka=50以上才可以。因此，為了全部滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

（六）系統(tǒng)改進(jìn)

為了滿足性能指標(biāo)要求，分析之后決定加入速度反饋，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，τ為微分時(shí)間常數(shù)。根據(jù)勞斯判據(jù)確保系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)選取Ka=80、τ=0.04；此時(shí)輸入和干擾分別是單位階躍時(shí)響應(yīng)曲線，如圖7和圖8所示，各項(xiàng)指標(biāo)均能夠滿足系統(tǒng)的性能指標(biāo)的要求。

結(jié)語

通過實(shí)施案例化教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性明顯提高，課堂參與度增強(qiáng)。調(diào)查顯示，超過80%的學(xué)生認(rèn)為案例化教學(xué)有助于理解課程內(nèi)容，提升了他們的分析和解決問題的能力。案例化教學(xué)在“自動(dòng)控制原理”課程中的應(yīng)用，能夠有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)踐能力。未來，應(yīng)繼續(xù)探索和完善案例化教學(xué)的實(shí)施策略，為新工科人才的培養(yǎng)貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：2022年度廣東省本科高校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項(xiàng)目——新工科背景下自動(dòng)控制原理課程教學(xué)改革研究與實(shí)踐（752）；智能制造時(shí)代的多學(xué)科交叉新工科人才培養(yǎng)模式的研究與實(shí)踐（753）

作者簡(jiǎn)介：李喜武（1971— ），男，漢族，吉林長(zhǎng)春人，博士研究生，副教授，研究方向：載運(yùn)工具智能監(jiān)測(cè)與控制。