基于復(fù)雜工程問(wèn)題能力培養(yǎng)的控制理論課程群教學(xué)探索

丁肇紅 錢平

[摘 要] 培養(yǎng)工科學(xué)生具有解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力是工程教育認(rèn)證畢業(yè)要求的核心問(wèn)題。依據(jù)課程實(shí)施校企合作和工程認(rèn)證背景下，結(jié)合控制理論教學(xué)特點(diǎn)，在教學(xué)實(shí)施中給學(xué)生傳授控制理論知識(shí)的同時(shí)，注重培養(yǎng)本科生面對(duì)復(fù)雜工程的解決能力，提高學(xué)生的控制工程實(shí)踐創(chuàng)新性。

[關(guān)鍵詞] 復(fù)雜工程問(wèn)題;控制理論;工程教育認(rèn)證

[基金項(xiàng)目] 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)課程建設(shè)項(xiàng)目（1021zk191402004）

[作者簡(jiǎn)介] 丁肇紅（1966—），女，山東日照人，碩士，教授，研究方向?yàn)榭刂评碚撆c控制工程、智能控制。

[中圖分類號(hào)] G642? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 1674-9324（2020）37-0188-02? ? [收稿日期] 2019-11-10

一、引言

自2013年中國(guó)加入華盛頓協(xié)議后，高等工程教育已開(kāi)始走向國(guó)際化，中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證正式被國(guó)際同行認(rèn)可。工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)由通用標(biāo)準(zhǔn)和各專業(yè)補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成，其中關(guān)于畢業(yè)生應(yīng)達(dá)到的12項(xiàng)畢業(yè)要求的通用標(biāo)準(zhǔn)中，有6項(xiàng)涉及“復(fù)雜工程問(wèn)題”。在課程教學(xué)過(guò)程中如何落實(shí)“復(fù)雜工程問(wèn)題”的分析與解決，這對(duì)畢業(yè)要求的達(dá)成將起到至關(guān)重要的作用。

在自動(dòng)化和電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)工程教育認(rèn)證的背景下，為了進(jìn)一步培養(yǎng)和提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，促進(jìn)工程教育認(rèn)證中關(guān)于復(fù)雜工程問(wèn)題畢業(yè)要求的達(dá)成，開(kāi)展控制理論課程群工程化教學(xué)改革，極具必要性。

二、復(fù)雜工程問(wèn)題的理解與培養(yǎng)目標(biāo)

（一）復(fù)雜工程問(wèn)題的理解

工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中提到的“復(fù)雜工程問(wèn)題”必須具備下述特征：①必須運(yùn)用深入的工程原理，經(jīng)過(guò)分析才可能得到解決;②涉及多方面的技術(shù)、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突;③需要通過(guò)建立合適的抽象模型才能解決，在建模過(guò)程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性;④不是僅靠常用方法就可以完全解決的;⑤問(wèn)題中涉及的因素可能沒(méi)有完全包含在專業(yè)工程實(shí)踐的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中;⑥問(wèn)題相關(guān)各方利益不完全一致;⑦具有較高的綜合性，包含多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的子問(wèn)題。

（二）培養(yǎng)目標(biāo)

對(duì)本科生畢業(yè)認(rèn)證的一個(gè)關(guān)鍵要求是畢業(yè)生解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和高級(jí)思維，更多的是能力和思維的訓(xùn)練。首先，在工程知識(shí)方面，使學(xué)生能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)用于解決控制工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題;能夠針對(duì)一個(gè)控制類專業(yè)的復(fù)雜問(wèn)題建立合適的數(shù)學(xué)模型，并利用恰當(dāng)?shù)南拗茥l件求解;能夠?qū)⒐こ袒A(chǔ)和專業(yè)知識(shí)用于控制類專業(yè)復(fù)雜問(wèn)題的分析、設(shè)計(jì)和優(yōu)化。其次，培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題分析能力，能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程科學(xué)的基本原理，識(shí)別、表達(dá)、并通過(guò)文獻(xiàn)研究分析控制工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問(wèn)題，以獲得有效結(jié)論。此外，訓(xùn)練學(xué)生的工程研究技能，使他們能夠基于科學(xué)原理并采用科學(xué)方法對(duì)控制領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行研究，包括設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)、并通過(guò)科學(xué)的方法進(jìn)行信息綜合得到合理有效的結(jié)論。

三、復(fù)雜工程問(wèn)題能力培養(yǎng)教學(xué)方法

（一）構(gòu)建與整合教學(xué)內(nèi)容

依照本科生的培養(yǎng)方案，根據(jù)校企合作的特點(diǎn)，為了加強(qiáng)我校應(yīng)用性本科生“工程實(shí)踐性”的培養(yǎng)，需要依據(jù)校企合作特點(diǎn)和工程認(rèn)證背景，構(gòu)建課程教學(xué)的知識(shí)架構(gòu)，并完成工程仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的整合。

按照課程的教學(xué)順序，自控原理課程的知識(shí)架構(gòu)包括：自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念介紹與描述，控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立，控制系統(tǒng)的時(shí)域分析方法，控制系統(tǒng)的根軌跡分析方法，控制系統(tǒng)的時(shí)域分析方法和采樣控制系統(tǒng)的分析?，F(xiàn)代控制理論課程主要包含狀態(tài)空間建立、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、能控能觀性分析、穩(wěn)定性分析和線性系統(tǒng)綜合這五個(gè)模塊。而復(fù)雜工程問(wèn)題作為一類工程問(wèn)題，從根本上是以應(yīng)用為目的的問(wèn)題，解決復(fù)雜工程問(wèn)題所需的知識(shí)、素質(zhì)，以及所采用的分析與研究方法，都需要在社會(huì)應(yīng)用、工程應(yīng)用中形成。企業(yè)教師首先帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，實(shí)物演示磁懸浮系統(tǒng)，球桿系統(tǒng)和移動(dòng)機(jī)器人等控制系統(tǒng)，學(xué)生初步認(rèn)識(shí)這些控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)和任務(wù)，然后提出如何進(jìn)行這些控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)呢？學(xué)校理論教師根據(jù)工程提出的問(wèn)題帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行課堂教學(xué)內(nèi)容的整合。本節(jié)以磁懸浮系統(tǒng)建模與控制為例，將上述自控和現(xiàn)控課程的教學(xué)內(nèi)容與復(fù)雜工程解決能力培養(yǎng)方案相結(jié)合，將該工程案例貫穿于知識(shí)模塊中，撰寫工程實(shí)踐講義。

1.建立復(fù)雜工程問(wèn)題模型。磁懸浮控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的工程控制系統(tǒng)，它的運(yùn)動(dòng)涉及電與磁的領(lǐng)域，不同于一般的控制對(duì)象，系統(tǒng)形式和結(jié)構(gòu)各不相同，但究其本質(zhì)都共同具有復(fù)雜性、不確定性、非線性和開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定的特性。針對(duì)該復(fù)雜工程實(shí)例進(jìn)行建模涉及自控和現(xiàn)代控制課程中的多個(gè)工程知識(shí)。該磁懸浮系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型抽象是以磁懸浮系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)關(guān)系、系統(tǒng)的電磁力關(guān)系、功率放大器模型及電磁鐵中控制電壓與和電流的模型關(guān)聯(lián)方程為基礎(chǔ)建立，磁懸浮系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，案例設(shè)計(jì)中運(yùn)用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，進(jìn)行非線性系統(tǒng)的線性化處理，將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的傳遞函數(shù)模型和狀態(tài)空間模型。

2.復(fù)雜控制工程問(wèn)題分析。復(fù)雜工程問(wèn)題能力的培養(yǎng)目標(biāo)要求學(xué)生能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程科學(xué)的基本原理，識(shí)別、表達(dá)、并通過(guò)自動(dòng)控制理論知識(shí)分析解決的復(fù)雜工程問(wèn)題——磁懸浮系統(tǒng)的間隙控制，以獲得穩(wěn)準(zhǔn)快的控制效果。然而在實(shí)際應(yīng)用中需考慮多方面的技術(shù)和工程因素，例如系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的復(fù)雜性是相互沖突的因素，控制的精度與速度也是相互制約的因素。另外，通過(guò)深入了解課題的工程應(yīng)用背景，能正確理解磁懸浮系統(tǒng)所涉及的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、法律、安全等制約因素，若系統(tǒng)不完善將產(chǎn)生的負(fù)面影響、對(duì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的影響等等。對(duì)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和主要設(shè)備的選型，需要掌握工程管理的預(yù)算情況和經(jīng)濟(jì)決策知識(shí)，最終將體現(xiàn)在規(guī)劃、設(shè)計(jì)和實(shí)施中。

3.復(fù)雜控制工程的控制方案設(shè)計(jì)與研究。磁懸浮是一個(gè)典型不穩(wěn)定的系統(tǒng)，其模型的正確性與合理性有著至關(guān)重要的作用，控制算法的選擇以及參數(shù)的選擇是否合理，是否能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的控制這些都是磁懸浮控制的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，建立完模型之后還需要對(duì)其進(jìn)行合理的控制以便達(dá)到穩(wěn)定懸浮的效果，采用有有效的控制方案，例如工程上應(yīng)用最為廣泛的PID控制和頻域法控制，在matlab中進(jìn)行仿真以達(dá)到穩(wěn)準(zhǔn)快的控制效果，最終在磁懸浮教學(xué)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)懸浮小球的實(shí)時(shí)控制。其中，復(fù)雜工程能力培養(yǎng)的關(guān)鍵在于能夠結(jié)合控制原理，并采用控制綜合方法對(duì)該工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題進(jìn)行研究，包括設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)、并通過(guò)科學(xué)的方法進(jìn)行信息綜合得到合理有效的結(jié)論。

（二）教學(xué)方式改革

由于自動(dòng)控制原理和現(xiàn)代控制理論性強(qiáng)，結(jié)論定理多，針對(duì)此現(xiàn)象，簡(jiǎn)化理論，重工程前提下，整合內(nèi)容。在課程教學(xué)實(shí)施中，教學(xué)方法上注重多種方式的結(jié)合，給出的一些創(chuàng)新舉措及案例分析。采用項(xiàng)目型教學(xué)方法，在教學(xué)過(guò)程中把理論與實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使學(xué)生完成指定項(xiàng)目的分析、實(shí)施和總結(jié)工作。比如，先提出一個(gè)實(shí)際磁懸浮控制系統(tǒng)的工程項(xiàng)目實(shí)例，任課教師從企業(yè)教師處獲取實(shí)際控制系統(tǒng)有關(guān)圖紙，設(shè)計(jì)說(shuō)明書等，以實(shí)際控制系統(tǒng)應(yīng)用案例為主線，貫穿課程知識(shí)架構(gòu)里的所有內(nèi)容。采用案例型和互動(dòng)型教學(xué)相結(jié)合的方法。

四、結(jié)論

本文結(jié)合控制理論教學(xué)特點(diǎn)，針對(duì)現(xiàn)代控制理論的校企合作特點(diǎn)和工程認(rèn)證背景，提出了適合我院的控制理論課程的理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)方案，對(duì)自動(dòng)控制原理和現(xiàn)代控制理論提出了一系列可行可操作的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式改革舉措。實(shí)踐證明，在控制理論課程中，合理地安排理論教學(xué)，將課程實(shí)驗(yàn)與企業(yè)的工程實(shí)例相結(jié)合的教學(xué)方案，取得了較好的效果，對(duì)培養(yǎng)本科生的復(fù)雜工程解決能力和提高學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新性有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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