浅析机械工程类控制工程基础课程教学研究

　　控制工程基础是机械工程系机械工程及其自动化专业各专业方向的一门主要专业基础课，该课程理论性和实践性都很强，具有重要工程应用意义。课程内容涉及数学物理、电气、电子、机械工程等多门学科的知识，而且比较抽象，是一门具有一定深度和难度的课程。下面结合教与学的过程，谈些思考和体会。
　　一、课程目标及存在的问题
　　1.控制工程基础课程教学目标
　　控制工程基础是一门综合性很强的专业基础课，课程的理论性和工程实践性都很强，同时，该课程也是普通高等院校机械类大多专业的必修课。华北电力大学(保定)机械工程系有的个专业方向都要求学生必修该课程。
　　通过学习控制工程基础课程，学生能清楚自动控制系统的基本结构和工作原理，掌握自动控制理论在机械工程中的应用;学会分析机械工程系统的性能，掌握设计和校正系统的基本方法;培养学生分析问题和解决问题的综合能力，为进一步学习专业课以及毕业后从事专业工作打下良好的基础。
　　2.课程教学中存在的问题
　　由于控制工程基础这门课程的理论性强，内容偏抽象，涉及数学知识广泛，同时又具有很强的实践性，涉及多门学科知识，就要求学生在学习这门课程时，不仅具备扎实的高等数学、工程数学等相关课程的知识，还要对涉及的多门学科有必要的了解。但是由于学生对相关基础知识掌握不牢固，对学科交叉的内容理解不够，导致对控制工程基础课程学习存在较大困难。结合教学过程，将存在的问题归纳如下：概念抽象，学生难以理解，理论内容枯燥，与实践联系不紧密;学生综合分析问题、解决问题的能力不够，需要提高;学生的学习目标不明确，学习积极性不高，课堂学习状态被动，缺乏学习主动性;由于专业方向分流，几个专业方向的学生学习效果差别较大，这门课的通过率比其他课程的通过率低。
　　鉴于以上问题，为了提高教学效果，培养学生的分析问题和解决问题的综合能力及创新实践能力，在分析了控制工程基础课程特征的基础上，从教学内容、教学方法、实践环节几方面进行了改革与探索。
　　二、课程的改革与探索
　　针对控制工程基础课程理论性强、概念和基本理论抽象的特点和学生工程数学知识欠缺、不同专业方向学生的差异以及课程内容多学时少等问题，从以下几方面入手：
　　1.教学内容及教材改进
　　总结了多年的教学实践和教学反馈，调整了内容，编写了机械工程类适用的《机械控制工程基础》教材，主要内容有：
　　第1章绪论，明确学习目标，通过工程实例，叙述了控制系统的基本概念及控制工程的发展概况，使学生对该课程有全面的了解。
　　第2章是拉普拉斯变换，这是整个课程的数学工具，是学习控制工程基础课程的基础。但在原来的教材中，这部分作为附录，而不进行课堂教学，学生课下自学，结果是学生不重视。又由于工程数学这部分学生没有学过，基本的变换性质不清楚，影响了对整个课程的学习。因此，教师安排2学时的授课时间，通过实例学习拉普拉斯变换，为学生学习后边各章节打下良好基础。
　　第3章是物理系统的数学模型及传递函数，本课程以机电自动控制系统作为主要研究对象。首先要建立系统的数学模型，以便从理论上对控制系统进行定性分析和定量计算，这是控制工程的基本方法。传递函数是在拉氏变换基础上建立的一种常用的数学模型，是极其重要的基本概念，是系统分析、研究与综合的有利工具，更是经典控制理论的基础。一个实际的系统，建立了数学模型，就可以用适当的方法对其性能进行全面地分析和计算。对于线性定常系统，常用的工程方法有时域分析法、根轨迹法和频率分析法。
　　第4章是控制系统的时域分析。根据系统的微分方程，以拉普拉斯变换为数学工具，直接解出系统的时间响应，然后根据响应的表达式及其描述曲线来分析系统的性能，如稳定性、快速性、稳态精度等。这样，学生通过对系统进行时域分析，可以直观简便地了解系统响应的全过程，掌握系统时间响应的全部信息。但是时域分析法在实际应用时常会遇到一些问题，比如复杂系统中存在难以用数学模型描述的元部件，而频域分析法能解决这些问题。
　　第5章为控制系统的频域分析。这种方法以正弦输入信号的频率为变量，在频率域内通过研究系统的频率特性及其图形来分析系统性能。它是一种经典工程实用方法，可方便地用于控制工程中的系统分析与设计，频域分析法是经典控制理论的核心，也是教学的重中之重。
　　第6章是系统的稳定性。稳定是控制系统正常工作的首要条件，也是控制系统的重要性能，因此，必须要分析系统的稳定性，并提出确保系统稳定的条件。这章主要研究线性定常系统的稳定性判据及其应用，以及提高系统稳定性的方法。这一章是前几章内容的综合应用，要求学生能够把前边的知识点贯穿起来，提高综合分析问题解决问题的能力。
　　第7章是根轨迹法。这种方法不直接求解特征方程，而是在平面上由开环零极点确定闭环极点，将系统的某一参数与闭环传递函数特征根的关系描述在一张图上。由于可以利用计算机进行作图，简单实用，所以广泛地应用在控制工程中，并成为经典控制理论的基本分析方法之一。掌握了前面控制系统几种基本方法后，就可以对控制系统进行定性分析和定量计算。
　　第8章是控制系统的校正，通过这一章，学生能学会如何根据系统预先给定的性能指标，去设计一个能满足性能要求的控制系统。
　　鉴于这门课程的实际学时数，第7章根轨迹法和第8章控制系统的校正只作简要介绍，要求学生对这两章有个初步了解，对控制工程基础这门课程具有系统认识。其他章节都分配相应学时重点深入地教学，借助多媒体现代教学手段来解决内容多学时少的矛盾，利用课堂教学和课下辅导的方式提高教学效果，解决课程难学的问题。
　　2.教学思路的更新
　　从控制工程基础课程体系和内容的系统性出发，从整体上把握课程的教学脉络，使学生对这门课程形成整体的构架，对知识融会贯通。
　　(1)突出基本概念和基本理论。在控制工程基础这门课程中，每一章都提出了一些基本概念，这些基本概念之间又相互关联，串联起来就形成了本课程的知识要点，进而形成系统理论，必然是学习理解的重点。对基本概念和基本理论的思考和掌握，有助于学生养成科学的思维习惯，提高其分析问题和解决问题能力。在讲授过程中除让学生对课程中概念本身的内涵与外延认真理解外，还要让其注意体会每个概念在整个课程理论体系中的作用。因此，针对学生在学习基本概念和基本理论过程中出现的问题，分析原因并提出相应的解决办法，以实现本课程的教学目的。
　　(2)建立不同分析方法之间的相互联系。对于一个控制系统，稳定性、准确性、快速性是基本要求。其中稳定性是首要条件，它是系统性能的重要指标，贯穿了时域分析和频域分析方法的始终，也是系统综合设计和校正要满足的性能要求。在课程的教学中，以稳定性、准确性、快速性为主线，建立各种系统分析与设计方法之间的联系，有助于对课程内容的理解和掌握，理清各章节之间的逻辑关系。
　　先通过具体实例，例如以机床运动控制系统为例，来说明对于一个控制系统的分析和设计。首先，必须掌握自动控制系统的基本概念，建立系统的数学模型，才能进行理论分析。而最基本的数学模型是微分方程，但高次微分方程求解较为复杂，需将微分方程转化为代数方程，这就需要进行拉普拉斯变换，大大简化了求解过程，进而得到系统的传递函数。然后，在传递函数基础上，对系统进行分析。常用的分析方法有：时域分析法、频域分析法、根轨迹分析法以及相应的性能指标。这样，一方面，有了系统的性能指标，就能够对系统的稳定性和准确性进行分析判断;另一方面，也可以根据给定要求的性能指标，得到理想的控制系统，从而对原有的控制系统进行综合和校正。这样抓住了稳、准、快这条主线，就理清了各章节之间的逻辑关系，该课程的内容就能够顺利地衔接起来。例如对于稳定性的问题，就可以从多个方面、多个角度来分析判断，可以求解微分方程，可以求闭环特征根，可以用根轨迹法，可以用劳斯判据，可以用奈奎斯特判据等方法，这样自然对这门课程的系统性有了明确认识。
　　3.教学手段的改进
　　控制工程基础课程是机械工程及其自动化大专业各专业方向都必修的专业基础课，具有较强的理论性和实践性，涉及的知识面宽，包含的信息量大，内容又比较抽象。由于课程内容多课时少，另外，机械类学生工程数学知识以及相关学科的知识欠缺，必须改革教学手段，充分利用现代化教学工具，利用计算机仿真来辅助教学，才能实现高效的课堂教学，使学生收获更多知识。针对不同的专业方向，如，制造和设计、机电和物流、输电工程专业方向，采用分班教学，联系本专业方向的实际应用，将教学内容进行调整。同时，采用计算机多媒体辅助教学与传统的教学模式相结合，在有限的课时内增加了信息量，使枯燥、抽象的理论变得形象和具体。教学中还引入了软件Matlab/simulink，开阔学生的视野。例如时域响应曲线、频域的幅相曲线及对数幅相曲线的绘制，为了提高课堂效果，达到师生互动，教师首先在黑板上画出大致曲线，帮助学生理解，然后利用多媒体，用编好的程序或建立的仿真模型，在屏幕上精确地绘出相应的曲线，并改变系统的参数，再次绘图显示，让学生进行分析比较，得出结论。这样提高了学生的学习兴趣，激发了他们的求知欲，大大提高了教学效果。
　　4.加强实践环节
　　注重实践教学环节，加强控制理论的工程应用。控制工程基础课程的理论性强，在理论讲述中，学生未免感觉空、虚，因此在教学过程中，要注重实际，结合具体生活和工业生产实例，使学生的学习目标明确，知道控制系统在生产生活中的应用无处不在。这样学生不仅提高了学习兴趣，也更深刻地理解了理论知识。同样，该课程的应用性也很强，必须利用实践环节将理论应用到实践中。课程设置了时域和频域的相应实验，一方面，利用自动控制实验箱，让学生搭建典型环节和典型系统，输入不同的典型信号，通过示波器观察系统的响应曲线。另一方面，将实验曲线和Matlab/simulink软件仿真出来的理想波形进行对比，分析实验结果，得出结论。在课程教学的同时，注重加强对学生综合实践能力的培养，利用开放的实验室，充分发挥学生的主动性，让学生设计完成自动控制系统的相关课题，还结合Matlab/simulink软件进行控制系统的仿真，使学生感到课程的真、实，提高了他们综合分析问题解决问题的能力，做到学有所用，为他们的专业学习以及将来工作打下坚实的基础。
　　三、结束语
　　随着科学的飞速发展，学科之间日益相互渗透和交叉，非电类学生的自动控制基础知识和基本技能的训练更需要加强，控制工程基础课程地位更显得重要，因此必须及时总结改进，不断更新教育观念，提高教学质量，才能更好地促进学科发展，培养具有创新能力的高素质人才。