針對復(fù)雜工程問題的控制理論課程改革方案探討

高瑜 余雷 季清

[摘? ? ? ? ? ?要]? 培養(yǎng)本科生解決復(fù)雜工程問題的能力是工程教育專業(yè)認(rèn)證的重點(diǎn)要求，“自動(dòng)控制原理”與“現(xiàn)代控制理論”作為自動(dòng)化專業(yè)的兩門核心課程，依靠傳統(tǒng)的教學(xué)方式已無法支持“以學(xué)生為中心”的全新教學(xué)理念。探討在專業(yè)認(rèn)證的背景下，如何將實(shí)際工程問題融入控制理論課程教學(xué)過程中，加強(qiáng)工程教育與工業(yè)界的聯(lián)系，達(dá)到提高畢業(yè)學(xué)生國際競爭力的目的。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 復(fù)雜工程問題;控制理論;課程改革

[中圖分類號(hào)]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? 2096-0603（2020）01-0032-02

一、引言

自動(dòng)化技術(shù)是推動(dòng)我國工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要力量，高等教育體系中自動(dòng)化專業(yè)對人才的培養(yǎng)在國家科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著舉足輕重的作用。自2016年我國加入《華盛頓協(xié)議》以來，國內(nèi)許多院校參照國際工程聯(lián)盟規(guī)定的各項(xiàng)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行課程體系建設(shè)和教學(xué)模式改革，目的是使工科教育水平與國際化接軌。在這樣的背景下，傳統(tǒng)控制理論課程教學(xué)模式存在的問題和缺陷逐漸暴露，難以滿足專業(yè)認(rèn)證中對本科生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求，無法使畢業(yè)生在日益激烈的就業(yè)形勢中展現(xiàn)優(yōu)勢。本文首先對經(jīng)典控制理論部分的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新整理與規(guī)劃，然后優(yōu)化完善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，最后提出一種用于工程實(shí)踐教學(xué)的工業(yè)化控制平臺(tái)。

二、復(fù)雜工程問題描述

工程教育認(rèn)證工作指南中明確指出，對本科生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)是考核的重點(diǎn)之一。蘇州大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)通過全面的調(diào)查與研究，以“自動(dòng)化產(chǎn)線”為載體，“系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成和控制問題”作為具體內(nèi)容，按照成果導(dǎo)向教育理念構(gòu)建課程體系，制定教學(xué)目標(biāo)，規(guī)范教學(xué)過程，總結(jié)教學(xué)效果，運(yùn)用深入的工程原理突出“綜合、實(shí)踐與創(chuàng)新”的特點(diǎn)。

該“自動(dòng)化產(chǎn)線”綜合多種技術(shù)知識(shí)，如氣動(dòng)控制、機(jī)械傳動(dòng)與機(jī)械連接、測量與傳感，PLC控制和組網(wǎng)，步進(jìn)電機(jī)位置控制、伺服控制和變頻器等，以“信息和控制”為核心構(gòu)建物理信息系統(tǒng)。通過立體倉庫、機(jī)械手臂、自動(dòng)引導(dǎo)小車模擬智能電表的裝配、檢測、運(yùn)輸過程，整個(gè)生產(chǎn)線由上料單元、檢測單元、分揀單元和下料單元4個(gè)模塊組成，各工作站均設(shè)置一臺(tái)PLC承擔(dān)其控制任務(wù)，各PLC之間通過RS485串行通信實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。

三、改革方案設(shè)計(jì)

（一）調(diào)整教學(xué)內(nèi)容

支撐復(fù)雜工程問題的課程體系由11門基礎(chǔ)理論課構(gòu)成，其中“現(xiàn)代控制理論”和“自動(dòng)控制原理”是整個(gè)體系中的重要環(huán)節(jié)。多數(shù)高校的“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)內(nèi)容以經(jīng)典控制理論為主，包括復(fù)數(shù)域模型、系統(tǒng)性能指標(biāo)、根軌跡、頻域分析、系統(tǒng)校正，雖然涉及許多控制領(lǐng)域的早期成果，但部分內(nèi)容在很大程度上僅具備理論價(jià)值，在現(xiàn)今的實(shí)際控制系統(tǒng)中已極少使用。而“現(xiàn)代控制理論”課程內(nèi)容涵蓋了智能控制、優(yōu)化控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中多變量復(fù)雜控制問題日益增多的今天，基于狀態(tài)空間的建模與控制方法已逐漸取代經(jīng)典控制理論中的復(fù)數(shù)域、頻域分析方法。因此，本文重點(diǎn)對“自動(dòng)控制原理”課程中涉及工業(yè)應(yīng)用的教學(xué)內(nèi)容作了整理，并對授課課時(shí)做了重新的分配，見表1。

經(jīng)過以上調(diào)整，課堂授課保持72學(xué)時(shí)不變，其中“線性系統(tǒng)的根軌跡法”從12學(xué)時(shí)縮減至4學(xué)時(shí)，理由是該部分知識(shí)在工業(yè)場景中已失去應(yīng)用價(jià)值。除了介紹根軌跡的基本概念與意義以外，將不再詳細(xì)講授根軌跡的手工繪制法則，取而代之的是運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行仿真繪圖，利用直觀方法加深學(xué)生對根軌跡圖包含理論意義的理解。

（二）完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)

工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)指出一切教育活動(dòng)需以“學(xué)生為中心”開展，這就要求對傳統(tǒng)控制理論實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃如表2所示。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為設(shè)計(jì)性（操作）實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證性（仿真）實(shí)驗(yàn)兩種類型，學(xué)生在18個(gè)學(xué)時(shí)內(nèi)需要完成6個(gè)實(shí)驗(yàn)課題。其中，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)儀器為THKKL-6型控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱，目的在于鍛煉學(xué)生對電路控制系統(tǒng)的構(gòu)建與操作能力，而驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)將教科書中部分較難理解的理論化知識(shí)運(yùn)用仿真軟件直觀展示，有助于加深學(xué)生對概念的理解。

（三）建立工程實(shí)踐平臺(tái)

選擇雙軸進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)建工程實(shí)踐平臺(tái)（下圖），該設(shè)備由計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令信號(hào)，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過滾珠絲杠將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為工作臺(tái)的線性運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)在X-Y軸的快速進(jìn)給移動(dòng)。同時(shí)由直線光柵尺監(jiān)測工作臺(tái)實(shí)際位移進(jìn)行反饋，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制目標(biāo)與復(fù)雜工程問題中的立體倉庫大致相同。

基于該實(shí)踐平臺(tái)，學(xué)生既可以運(yùn)用經(jīng)典控制理論中的知識(shí)建立傳遞函數(shù)模型與控制系統(tǒng)框圖，又可以運(yùn)用現(xiàn)代控制理論建立狀態(tài)空間模型，很大程度上培養(yǎng)了學(xué)生對實(shí)際系統(tǒng)的建模能力。同時(shí)，學(xué)生還可以完成系統(tǒng)分析、控制方法設(shè)計(jì)、傳感器安裝調(diào)試、軟件編程等進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，有助于提高學(xué)生獨(dú)立思考與自主創(chuàng)新的能力。

四、結(jié)束語

對學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)是一個(gè)循序漸進(jìn)、綜合集成的過程，更是動(dòng)態(tài)形成和持續(xù)改進(jìn)的過程，結(jié)合控制理論課程自身特點(diǎn)，對教學(xué)大綱的內(nèi)容、學(xué)時(shí)進(jìn)行重新分配，改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，并構(gòu)建工程實(shí)踐平臺(tái)，增強(qiáng)了控制理論課程與實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)的聯(lián)系，對提高自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生的綜合素質(zhì)和競爭力具有現(xiàn)實(shí)意義。

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編輯 張 慧