針對復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]? 培養本科生解決復雜工程問題的能力是工程教育專業認證的重點要求，“自動控制原理”與“現代控制理論”作為自動化專業的兩門核心課程，依靠傳統的教學方式已無法支持“以學生為中心”的全新教學理念。探討在專業認證的背景下，如何將實際工程問題融入控制理論課程教學過程中，加強工程教育與工業界的聯系，達到提高畢業學生國際競爭力的目的。

[關? ? 鍵? ?詞]? 復雜工程問題;控制理論;課程改革

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2020）01-0032-02

一、引言

自動化技術是推動我國工業現代化發展的重要力量，高等教育體系中自動化專業對人才的培養在國家科技和經濟發展中起著舉足輕重的作用。自2016年我國加入《華盛頓協議》以來，國內許多院校參照國際工程聯盟規定的各項認證標準進行課程體系建設和教學模式改革，目的是使工科教育水平與國際化接軌。在這樣的背景下，傳統控制理論課程教學模式存在的問題和缺陷逐漸暴露，難以滿足專業認證中對本科生綜合素質和創新能力的培養要求，無法使畢業生在日益激烈的就業形勢中展現優勢。本文首先對經典控制理論部分的教學內容進行重新整理與規劃，然后優化完善了實驗教學過程，最后提出一種用于工程實踐教學的工業化控制平臺。

二、復雜工程問題描述

工程教育認證工作指南中明確指出，對本科生解決復雜工程問題能力的培養是考核的重點之一。蘇州大學電氣工程及其自動化專業通過全面的調查與研究，以“自動化產線”為載體，“系統設計、集成和控制問題”作為具體內容，按照成果導向教育理念構建課程體系，制定教學目標，規范教學過程，總結教學效果，運用深入的工程原理突出“綜合、實踐與創新”的特點。

該“自動化產線”綜合多種技術知識，如氣動控制、機械傳動與機械連接、測量與傳感，PLC控制和組網，步進電機位置控制、伺服控制和變頻器等，以“信息和控制”為核心構建物理信息系統。通過立體倉庫、機械手臂、自動引導小車模擬智能電表的裝配、檢測、運輸過程，整個生產線由上料單元、檢測單元、分揀單元和下料單元4個模塊組成，各工作站均設置一臺PLC承擔其控制任務，各PLC之間通過RS485串行通信實現互聯，構成分布式控制系統。

三、改革方案設計

（一）調整教學內容

支撐復雜工程問題的課程體系由11門基礎理論課構成，其中“現代控制理論”和“自動控制原理”是整個體系中的重要環節。多數高校的“自動控制原理”課程教學內容以經典控制理論為主，包括復數域模型、系統性能指標、根軌跡、頻域分析、系統校正，雖然涉及許多控制領域的早期成果，但部分內容在很大程度上僅具備理論價值，在現今的實際控制系統中已極少使用。而“現代控制理論”課程內容涵蓋了智能控制、優化控制、神經網絡等領域的基礎知識，在工業生產過程中多變量復雜控制問題日益增多的今天，基于狀態空間的建模與控制方法已逐漸取代經典控制理論中的復數域、頻域分析方法。因此，本文重點對“自動控制原理”課程中涉及工業應用的教學內容作了整理，并對授課課時做了重新的分配，見表1。

經過以上調整，課堂授課保持72學時不變，其中“線性系統的根軌跡法”從12學時縮減至4學時，理由是該部分知識在工業場景中已失去應用價值。除了介紹根軌跡的基本概念與意義以外，將不再詳細講授根軌跡的手工繪制法則，取而代之的是運用MATLAB軟件進行仿真繪圖，利用直觀方法加深學生對根軌跡圖包含理論意義的理解。

（二）完善實驗教學

工程教育專業認證標準指出一切教育活動需以“學生為中心”開展，這就要求對傳統控制理論實驗教學進行優化和調整，具體實驗教學計劃如表2所示。

實驗內容分為設計性（操作）實驗與驗證性（仿真）實驗兩種類型，學生在18個學時內需要完成6個實驗課題。其中，設計性實驗儀器為THKKL-6型控制技術實驗箱，目的在于鍛煉學生對電路控制系統的構建與操作能力，而驗證性實驗將教科書中部分較難理解的理論化知識運用仿真軟件直觀展示，有助于加深學生對概念的理解。

（三）建立工程實踐平臺

選擇雙軸進給驅動系統構建工程實踐平臺（下圖），該設備由計算機數控系統發出指令信號，經伺服驅動器控制電機轉動，通過滾珠絲杠將伺服電機的旋轉運動轉換為工作臺的線性運動，實現工作臺在X-Y軸的快速進給移動。同時由直線光柵尺監測工作臺實際位移進行反饋，形成閉環控制系統，其控制目標與復雜工程問題中的立體倉庫大致相同。

基于該實踐平臺，學生既可以運用經典控制理論中的知識建立傳遞函數模型與控制系統框圖，又可以運用現代控制理論建立狀態空間模型，很大程度上培養了學生對實際系統的建模能力。同時，學生還可以完成系統分析、控制方法設計、傳感器安裝調試、軟件編程等進一步的實驗活動，有助于提高學生獨立思考與自主創新的能力。

四、結束語

對學生解決復雜工程問題能力的培養是一個循序漸進、綜合集成的過程，更是動態形成和持續改進的過程，結合控制理論課程自身特點，對教學大綱的內容、學時進行重新分配，改進了實驗環節，并構建工程實踐平臺，增強了控制理論課程與實際工業系統的聯系，對提高自動化專業畢業生的綜合素質和競爭力具有現實意義。

參考文獻：

[1]林健.如何理解和解決復雜工程問題：基于“華盛頓協議”的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016（5）：17-38.

[2]林健.工程教育認證與工程教育改革和發展[J].高等工程教育研究，2015（2）：10-19.

[3]劉寶，任濤，李貞剛.面向工程教育專業認證的自動化國家特色專業改革與建設[J].高等工程教育研究，2016（6）：48-52.

[4]夏靜萍，王瑛.工程專業認證背景下的自動控制原理實驗教學改革與實踐[J].實驗技術與管理，2016（2）：159-161.

[5]韓婷，李紅斌，文勁宇，等.培養復雜工程問題解決能力的一體化課程體系：華中科技大學電氣工程及其自動化專業改革[J].高等工程教育研究，2018（2）：52-59.

編輯 張 慧