基于CDIO的《控制理論與工程》課程綜合改革研究

王坤　羅云林

摘要：針對(duì)CDIO教學(xué)模式和培養(yǎng)模式的要求，為增加學(xué)生對(duì)所學(xué)控制理論課程的系統(tǒng)性和綜合性認(rèn)識(shí)，并及時(shí)將其應(yīng)用于實(shí)踐過(guò)程中，本文對(duì)控制理論課程內(nèi)容進(jìn)行了修訂，在教學(xué)過(guò)程中加大工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，為本校CDIO試點(diǎn)專業(yè)的教學(xué)實(shí)踐提供了重要的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：CDIO；《控制理論與工程》；課程綜合改革

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2014）48-0114-03

一、引言

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，隨之而來(lái)的工程教育中的問(wèn)題是學(xué)生知識(shí)面狹窄，學(xué)習(xí)缺少自主性和創(chuàng)造性，學(xué)科教育與工業(yè)實(shí)踐脫節(jié)，學(xué)生在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中賴以生存和成長(zhǎng)的團(tuán)隊(duì)精神、交流能力和多學(xué)科、系統(tǒng)掌控能力幾乎得不到任何發(fā)展。近年來(lái)，工業(yè)界逐漸認(rèn)識(shí)到由于嚴(yán)重脫離實(shí)踐，高校工程專業(yè)所培養(yǎng)的畢業(yè)生難以適應(yīng)現(xiàn)實(shí)工業(yè)生產(chǎn)的需要。為此，許多大型工業(yè)公司紛紛列出他們所需的工程師必備素質(zhì)詳單（如波音公司）?？刂评碚撜n程，是高校電類、自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)的一門(mén)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，是本科生后續(xù)課程和研究生課程的基礎(chǔ)，是培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識(shí)和掌握方法論、系統(tǒng)論的關(guān)鍵課程。該課程的主要任務(wù)是通過(guò)對(duì)控制理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力、工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。該課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)，內(nèi)容比較抽象，在控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及各種分析方法的繪圖和復(fù)雜的計(jì)算，教學(xué)內(nèi)容既抽象又與實(shí)踐密切聯(lián)系，概念難以理解[1]?？刂评碚撜n程所涉及的知識(shí)與其控制對(duì)象的性質(zhì)有關(guān)，觸及人類活動(dòng)的各個(gè)方面，如天文觀測(cè)、航空航天、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等；此外，在討論控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和分析其性能時(shí)，還需要大量的作為工具的數(shù)學(xué)知識(shí)，如高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、積分變換、復(fù)變函數(shù)、物理等諸多基礎(chǔ)課的內(nèi)容，涉及知識(shí)面廣，理論知識(shí)較多，對(duì)學(xué)生的基礎(chǔ)課程要求較高，在教學(xué)中容易出現(xiàn)學(xué)生缺乏這些準(zhǔn)備知識(shí)的現(xiàn)象，造成學(xué)生學(xué)習(xí)上的畏難情緒，影響教學(xué)效果?！犊刂评碚撆c工程》課程的研究對(duì)象是具體的生產(chǎn)過(guò)程或者裝置，為研究該系統(tǒng)，需要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行建模，故在開(kāi)始階段需要介紹大量關(guān)于控制的諸如被控對(duì)象、輸出量、測(cè)量裝置、反饋等概念。由于是第一次接觸控制類的課程，所以，學(xué)生接受起來(lái)比較困難。對(duì)于系統(tǒng)而言，我們可以用不同的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，如微分方程、傳遞函數(shù)、頻率特性等；對(duì)系統(tǒng)分析時(shí)，我們可以采用時(shí)域、頻域和復(fù)數(shù)域的分析方法等，這些會(huì)造成學(xué)生理解上的混亂和學(xué)習(xí)中的困難。這些抽象的概念和推理在數(shù)學(xué)體系下進(jìn)行，而物理概念、工程概念相對(duì)較少，學(xué)生學(xué)習(xí)的難度較大，他們不容易有學(xué)習(xí)的興趣，教學(xué)過(guò)程易枯燥[2]。控制理論研究的對(duì)象為實(shí)際的自動(dòng)控制系統(tǒng)，探討的是控制過(guò)程的性能及其規(guī)律性，其理論具有很強(qiáng)的應(yīng)用性，具有明顯的理論性和工程性，與基礎(chǔ)課程相比，在研究方法和學(xué)習(xí)方法方面都有較大的區(qū)別，造成了教學(xué)上的思維障礙。目前的教育思路是培養(yǎng)具有實(shí)踐能力的、能適應(yīng)社會(huì)要求的工程師教育，在該思想的影響下，學(xué)生的就業(yè)壓力較之以往更大。因此，關(guān)注點(diǎn)就主要集中到如何面向?qū)嶋H迎合就業(yè)需求上，從而導(dǎo)致理論課程教學(xué)的難度更加大。在理論課程的教學(xué)過(guò)程中，教師往往是在緒論部分引入該課程的相關(guān)的概念和基礎(chǔ)知識(shí)，使學(xué)生對(duì)該課程有一大致的認(rèn)識(shí)和了解，因此，每門(mén)課程的開(kāi)始部分是最難以講授的，需要通過(guò)較少的時(shí)間將該課程的位置、意義等簡(jiǎn)述清楚，讓學(xué)生對(duì)該課程感興趣是一個(gè)非常重要而又困難的工作。如果開(kāi)頭部分，學(xué)生就沒(méi)有對(duì)該課程有了一個(gè)較為全面的認(rèn)識(shí)，那在今后的課堂學(xué)習(xí)中，即使聽(tīng)了也只是照葫蘆畫(huà)瓢，一知半解，到真正實(shí)踐的時(shí)候，學(xué)生不知道如何與所學(xué)理論結(jié)合起來(lái)。目前，各高校在控制理論的教學(xué)中，先講授經(jīng)典控制理論，主要是介紹控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)、概念，控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析系統(tǒng)的時(shí)域法、根軌跡法和頻域法，熟悉控制系統(tǒng)的綜合校正方法，了解離散控制系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的特點(diǎn)和分析方法等知識(shí)。作為后續(xù)課程的現(xiàn)代控制理論，它主要從系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型出發(fā)，講授系統(tǒng)的能控能觀性、系統(tǒng)的穩(wěn)定條件、線性系統(tǒng)的校正和狀態(tài)觀測(cè)與最優(yōu)估計(jì)等內(nèi)容。

二、CDIO理念

CDIO是國(guó)際創(chuàng)新型工程教育模式，它是由美國(guó)麻省理工學(xué)院和瑞典皇家工學(xué)院等四所大學(xué)歷經(jīng)四年的研究成果。CDIO是構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）、運(yùn)作（Operate）四個(gè)英文單詞的縮寫(xiě)，它是“做中學(xué)”和“基于項(xiàng)目教育和學(xué)習(xí)”的集中概括和抽象表達(dá)。CDIO以產(chǎn)品研發(fā)的全過(guò)程為載體，培養(yǎng)學(xué)生工程基礎(chǔ)知識(shí)、個(gè)人、人際團(tuán)隊(duì)和工作系統(tǒng)四個(gè)方面的能力。其中，“構(gòu)思”，包括顧客需求分析，技術(shù)、企業(yè)戰(zhàn)略和規(guī)章制度設(shè)計(jì)，發(fā)展理念、技術(shù)程序和商業(yè)計(jì)劃制定；“設(shè)計(jì)”，主要包括工程計(jì)劃、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)以及實(shí)施方案設(shè)計(jì)等；“實(shí)施”，特指將設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的過(guò)程，包括制造、解碼、測(cè)試以及設(shè)計(jì)方案的確認(rèn)；“運(yùn)行”，則主要是通過(guò)投入實(shí)施的產(chǎn)品對(duì)前期程序進(jìn)行評(píng)估的過(guò)程，包括對(duì)系統(tǒng)的修訂、改進(jìn)和淘汰等[3.4]。目前流行的CDIO工程教育是一種面向客戶和產(chǎn)品的人才培養(yǎng)模式，該模式要求學(xué)生掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)，并具有將理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際的能力，能夠從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)階段開(kāi)始，將整個(gè)所學(xué)知識(shí)內(nèi)容應(yīng)用于產(chǎn)品的生命周期的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，從而成為一名合格的具有創(chuàng)新、實(shí)踐和職業(yè)道德的工程師。CDIO教育模式從教學(xué)理念到課程，再到教學(xué)、評(píng)估進(jìn)行整體改革，改變傳統(tǒng)教育模式，提高工程人才培養(yǎng)質(zhì)量。目前，CDIO教學(xué)模式注重培養(yǎng)學(xué)生的三種能力：①理論層面的知識(shí)體系，包括未來(lái)工程師個(gè)體必須掌握的基礎(chǔ)科學(xué)、核心工程基礎(chǔ)和高級(jí)工程基礎(chǔ)等知識(shí)；②實(shí)踐層次的能力體系，包括未來(lái)工程師所必須具備的工程推理與問(wèn)題解決技能、實(shí)驗(yàn)與知識(shí)的發(fā)現(xiàn)技能、能夠系統(tǒng)思維能力等；③人際交往技能體系，包括團(tuán)隊(duì)合作與溝通能力、外語(yǔ)交際能力和運(yùn)作（CDIO）工程產(chǎn)品和系統(tǒng)的能力[5]。

三、基于CDIO的控制理論課程綜合改革方法

針對(duì)CDIO教學(xué)模式和培養(yǎng)模式的要求，為增加學(xué)生對(duì)所學(xué)控制理論課程的系統(tǒng)性和綜合性認(rèn)識(shí)，并及時(shí)將其應(yīng)用于實(shí)踐過(guò)程中，故筆者改變現(xiàn)有的控制理論課程的教學(xué)過(guò)程，將經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的理論課程融為一體，加入MATLAB基本工具，用來(lái)輔助分析、計(jì)算、設(shè)計(jì)和仿真研究；整合課程內(nèi)容至一個(gè)教學(xué)學(xué)期中，在理論授課過(guò)程中增加自動(dòng)控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，完成“智能點(diǎn)滴監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)”和“智能火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”兩個(gè)初級(jí)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)；同時(shí)，在控制理論的授課過(guò)程中，增加各種控制系統(tǒng)中常用的元件的原理介紹，并將這些常用的控制變換元件應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐的并重并用。具體內(nèi)容如下。endprint

1.控制系統(tǒng)的基本概念和知識(shí)，對(duì)系統(tǒng)的基本要求和課程的基本任務(wù)。

實(shí)驗(yàn)1：控制系統(tǒng)基本概念的演示實(shí)驗(yàn)。

2.系統(tǒng)微分方程的建立，控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)所需控制元件原理及功能介紹，包括：測(cè)量元件、執(zhí)行元件、放大元件等，重點(diǎn)要求步進(jìn)電機(jī)以及帶動(dòng)一滑輪系統(tǒng)各種傳感器的工作原理，引入“智能點(diǎn)滴監(jiān)控系統(tǒng)”項(xiàng)目，了解該項(xiàng)目的主要功能；傳遞函數(shù)模型，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和信號(hào)流圖系統(tǒng)模型，控制系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)及傳遞函數(shù)矩陣的建立及線性變換，數(shù)學(xué)模型之間的關(guān)系以及相互轉(zhuǎn)化，并通過(guò)matlab來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.時(shí)域法分析二階欠阻尼系統(tǒng)的方法，同時(shí)求解線性定常系統(tǒng)，建立系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，分析系統(tǒng)的能控能觀性，并對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，根據(jù)李亞普諾夫穩(wěn)定性的定義分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)分析其準(zhǔn)確性，并用matlab求方程的解；根據(jù)系統(tǒng)要求分析“智能點(diǎn)滴監(jiān)控系統(tǒng)”與“智能火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，確定系統(tǒng)模型。

實(shí)驗(yàn)2：系統(tǒng)時(shí)域性能分析實(shí)驗(yàn)。

4.根軌跡繪制及分析方法，通過(guò)matlab仿真軟件繪制不同系統(tǒng)的根軌跡，并對(duì)高階和二階系統(tǒng)性能通過(guò)根軌跡曲線來(lái)進(jìn)行仿真分析。

5.頻域法通過(guò)分析開(kāi)環(huán)頻率特性來(lái)確定閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過(guò)matlab進(jìn)行分析，分析不同參數(shù)及結(jié)構(gòu)下系統(tǒng)的頻率特性曲線，并從曲線上分析系統(tǒng)的性能。

實(shí)驗(yàn)3：系統(tǒng)頻率特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

6.線性系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)和校正方法（SISO和MIMO），分析“智能點(diǎn)滴監(jiān)控系統(tǒng)”與“智能火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，根據(jù)系統(tǒng)要求完成系統(tǒng)，確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，合理選擇控制系統(tǒng)所需元件及其參數(shù)，諸如步進(jìn)電機(jī)、傳感器等元件的選取，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；通過(guò)matlab仿真將校正前后系統(tǒng)的頻率特性曲線和根軌跡曲線進(jìn)行比較分析，明確校正裝置對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。

實(shí)驗(yàn)4：連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)。

7.非線性系統(tǒng)的分析方法，通過(guò)matlab仿真實(shí)現(xiàn)非線性系統(tǒng)分析。

實(shí)驗(yàn)5：非線性系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

8.離散控制系統(tǒng)的分析方法，利用matlab仿真來(lái)分析離散系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，給學(xué)生以直觀的認(rèn)識(shí)。

通過(guò)整合該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可自行開(kāi)發(fā)課堂內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并完成“智能點(diǎn)滴監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)”和“智能火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”兩個(gè)初級(jí)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)任務(wù)。通過(guò)“智能點(diǎn)滴監(jiān)控系統(tǒng)”和“智能火警監(jiān)控系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，我們使得學(xué)生從理論和實(shí)踐上充分理解智能測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn)和作用，將所學(xué)的電路分析、電子技術(shù)基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)原理與系統(tǒng)、自動(dòng)控制原理與系統(tǒng)、智能檢測(cè)技術(shù)、單片機(jī)與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等課程知識(shí)，將理論與實(shí)踐在學(xué)習(xí)進(jìn)程中緊密結(jié)合，系統(tǒng)地、循序漸進(jìn)地將知識(shí)消化吸收。

我們通過(guò)本次課程的整合，旨在提高學(xué)生對(duì)控制理論課程的整體認(rèn)識(shí)，通過(guò)穿插于課程中的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和初級(jí)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，使得學(xué)生從對(duì)系統(tǒng)控制量的確定、系統(tǒng)性能的分析到確定系統(tǒng)模型，并合理正確地選擇各個(gè)元件及其參數(shù)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，使得學(xué)生從整體上認(rèn)識(shí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和方法，通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。開(kāi)發(fā)過(guò)程中的互助合作，能增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力和自我協(xié)調(diào)能力。這能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，明確學(xué)習(xí)方向，轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)態(tài)度，提高專業(yè)基礎(chǔ)水平和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，培養(yǎng)適應(yīng)企事業(yè)單位需要的工程人才。

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基金項(xiàng)目：天津市普通高校本科教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革研究計(jì)劃（C04-0807）；中國(guó)民航大學(xué)教育教學(xué)改革研究課題（xjz2012004）

作者簡(jiǎn)介：王坤（1978-），女，天津人，副教授，主要從事自動(dòng)控制原理及其相關(guān)課程的教學(xué)和研究；羅云林（1956-），男，四川人，教授，中國(guó)民航大學(xué)航空自動(dòng)化學(xué)院副院長(zhǎng)，主要從事控制理論方面的教學(xué)和科研。endprint