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(xué)校機(jī)械工程類專業(yè)的一門專業(yè)核心課程，主要研究自動(dòng)控制系統(tǒng)分析與綜合的基本原理。結(jié)合課程教學(xué)中存在的實(shí)際問(wèn)題，從課程內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)團(tuán)隊(duì)等方面進(jìn)行改革，通過(guò)課程改革，加強(qiáng)了學(xué)生能力的培養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)了課程設(shè)置的目的。

【關(guān)鍵詞】控制工程基礎(chǔ);教學(xué)改革;教學(xué)實(shí)踐

〔中圖分類號(hào)〕6642 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕A 〔文章編號(hào)〕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(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛?！犊刂乒こ袒A(chǔ)》作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，它是機(jī)械工程類，特別是機(jī)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(jī)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(xué)的優(yōu)劣對(duì)于機(jī)械工程類，尤其是機(jī)械電子工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)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(xué)實(shí)踐中遇到的新問(wèn)題，從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法、教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)、科研反哺教學(xué)等幾個(gè)方面對(duì)《控制工程基礎(chǔ)》課程進(jìn)行了教學(xué)改革與實(shí)踐。

1 優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

目前在我?！犊刂乒こ袒A(chǔ)》課程教學(xué)實(shí)踐中存在兩個(gè)比較突出的問(wèn)題。

一是伴隨著我校工程認(rèn)證的教學(xué)改革，人才培養(yǎng)方案的總體學(xué)分不斷壓縮，相應(yīng)的《控制工程基礎(chǔ)》課程學(xué)時(shí)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(xué)時(shí)和2學(xué)分。

二是我校為新建本科院校，伴隨著高等院校的不斷擴(kuò)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(qiáng)，教學(xué)內(nèi)容與課程學(xué)時(shí)之間、生源質(zhì)量和課程難度之間的矛盾越來(lái)越突顯。

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

首先，優(yōu)選教材。選取華中科技大學(xué)楊書子院士等編著的《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》作為課程的主講教材。該書曾獲國(guó)家級(jí)優(yōu)秀教學(xué)成果二等獎(jiǎng)和全國(guó)高等學(xué)校機(jī)電類專業(yè)優(yōu)秀教材一等獎(jiǎng)，是適合機(jī)械工程類學(xué)生學(xué)習(xí)控制理論基礎(chǔ)的經(jīng)典之作。

其次，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。以控制工程的基本概念、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)（拉普拉斯變換的數(shù)學(xué)方法）、系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、系統(tǒng)的時(shí)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(jì)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(gè)基本問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了課程設(shè)置的目的，即使學(xué)生能以動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)去看待一個(gè)機(jī)電控制系統(tǒng)，特別培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)對(duì)機(jī)電控制系統(tǒng)中信息的傳遞、轉(zhuǎn)換和反饋過(guò)程等的分析建立機(jī)電控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的能力;對(duì)機(jī)電控制系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的能力;對(duì)機(jī)電控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和綜合的能力及使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真的能力[1]。

2 改革教學(xué)方法

傳統(tǒng)的《控制工程基礎(chǔ)》課程教學(xué)方法為線下課堂的板書講授，隨著課程學(xué)時(shí)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(xué)模式也難以滿足新情況下的教學(xué)實(shí)際需求。為解決上述問(wèn)題，在教學(xué)方法上做了如下改革與實(shí)踐。

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

其次，新增了一個(gè)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的實(shí)際工程案例。以典型機(jī)電控制系統(tǒng)—數(shù)控直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)位置控制系統(tǒng)為案例，將其貫穿于課程教學(xué)的始末，從系統(tǒng)建模、系統(tǒng)時(shí)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(kāi)，幫助學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)機(jī)電控制系統(tǒng)分析與綜合的完整初步知識(shí)，使學(xué)生知行合一、學(xué)以致用。

最后，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)。利用超星泛雅平臺(tái)構(gòu)建《控制工程基礎(chǔ)》課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，逐步形成了線上與線下教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)模式。在網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)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(xué)資料，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)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(xué)平臺(tái)成為線上教學(xué)的有益補(bǔ)充，學(xué)生可根據(jù)自身情況，靈活地選擇學(xué)習(xí)時(shí)間、學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，并與任課教師靈活互動(dòng)，培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)能力和思維能力。

3 教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)

本校2004年升級(jí)為普通本科院校之初，機(jī)電工程學(xué)院只有“機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化”一個(gè)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(guó)高等教育的蓬勃發(fā)展和我校辦學(xué)實(shí)力的提升，我校機(jī)電工程學(xué)院現(xiàn)有本科專業(yè)7個(gè)，碩士學(xué)位授權(quán)點(diǎn)2個(gè)，原有的師資已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足控制理論教學(xué)的實(shí)際需求。近年來(lái)，我校極為重視《控制工程基礎(chǔ)》課程的教師團(tuán)隊(duì)的建設(shè)，一方面加強(qiáng)高層次人才的引進(jìn)，另一方面注重原有教師自身能力和學(xué)歷的提升。該課程教師團(tuán)隊(duì)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(duì)伍的職稱、學(xué)歷和年齡結(jié)構(gòu)合理，可勝任我校機(jī)電工程學(xué)院本科生和研究生的控制理論教學(xué)的實(shí)際需求。

4 科研反哺教學(xué)

在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)新問(wèn)題，提出新方法，并將科研成果反哺于教學(xué)。在指導(dǎo)學(xué)生課程實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)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(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，在設(shè)計(jì)PID控制器參數(shù)過(guò)程中存在很大的盲目性，而理論上的推導(dǎo)又十分困難。針對(duì)這一現(xiàn)象，并考慮到機(jī)械工程類學(xué)生習(xí)慣于通過(guò)查閱圖表進(jìn)行設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，將機(jī)構(gòu)學(xué)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(jì)的性能圖譜法”[4-5]，并將該成果應(yīng)用于學(xué)生課程實(shí)驗(yàn)和課程大作業(yè)的指導(dǎo)。

圖1為所述“設(shè)計(jì)空間”的平面圖，由圖1可見(jiàn)“控制空間”內(nèi)的任意一點(diǎn)pcs都唯一對(duì)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(biāo)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(biāo)與控制器參數(shù)間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。學(xué)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(jì)提供一種方便可行的新方法。圖2為球桿系統(tǒng)的相對(duì)諧振峰值性能圖譜。

5結(jié)語(yǔ)

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(jí)工程技術(shù)人才，而這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)要落實(shí)到具體的課程教學(xué)中來(lái)，因此需要不斷與時(shí)俱進(jìn)地開(kāi)展課程的教學(xué)改革與實(shí)踐。本文從優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、改革教學(xué)方法、教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)、科研反哺教學(xué)等幾個(gè)方面進(jìn)行了探索，實(shí)現(xiàn)了課程設(shè)置的目的、加強(qiáng)了學(xué)生能力的培養(yǎng)、保障了人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

[參考文獻(xiàn)]

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

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

[3]高峰，劉辛軍，金振林.機(jī)器人機(jī)構(gòu)CAD研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2000（4）：9-13.4

[4]王冰，方躍法.PID控制器設(shè)計(jì)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(jī)電系統(tǒng)PID參數(shù)整定方法[P].專利號(hào)：ZL2015102738537，2018.

[收稿日期]2021-07-15

[基金項(xiàng)目]河北省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（2019GJJG371）

[作者簡(jiǎn)介]王冰（1976-），男，博士，北華航天工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：機(jī)器人機(jī)械學(xué)。