基于復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的控制理論課程群教學探索

丁肇紅 錢平

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

[關(guān)鍵詞] 復(fù)雜工程問題;控制理論;工程教育認證

[基金項目] 上海應(yīng)用技術(shù)大學課程建設(shè)項目（1021zk191402004）

[作者簡介] 丁肇紅（1966—），女，山東日照人，碩士，教授，研究方向為控制理論與控制工程、智能控制。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）37-0188-02? ? [收稿日期] 2019-11-10

一、引言

自2013年中國加入華盛頓協(xié)議后，高等工程教育已開始走向國際化，中國工程教育專業(yè)認證正式被國際同行認可。工程教育認證標準由通用標準和各專業(yè)補充標準構(gòu)成，其中關(guān)于畢業(yè)生應(yīng)達到的12項畢業(yè)要求的通用標準中，有6項涉及“復(fù)雜工程問題”。在課程教學過程中如何落實“復(fù)雜工程問題”的分析與解決，這對畢業(yè)要求的達成將起到至關(guān)重要的作用。

在自動化和電氣工程及其自動化專業(yè)工程教育認證的背景下，為了進一步培養(yǎng)和提高學生分析問題、解決實際工程問題的能力，促進工程教育認證中關(guān)于復(fù)雜工程問題畢業(yè)要求的達成，開展控制理論課程群工程化教學改革，極具必要性。

二、復(fù)雜工程問題的理解與培養(yǎng)目標

（一）復(fù)雜工程問題的理解

工程教育認證標準中提到的“復(fù)雜工程問題”必須具備下述特征：①必須運用深入的工程原理，經(jīng)過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需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性;④不是僅靠常用方法就可以完全解決的;⑤問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)工程實踐的標準和規(guī)范中;⑥問題相關(guān)各方利益不完全一致;⑦具有較高的綜合性，包含多個相互關(guān)聯(lián)的子問題。

（二）培養(yǎng)目標

對本科生畢業(yè)認證的一個關(guān)鍵要求是畢業(yè)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維，更多的是能力和思維的訓練。首先，在工程知識方面，使學生能夠?qū)?shù)學、自然科學、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識用于解決控制工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題;能夠針對一個控制類專業(yè)的復(fù)雜問題建立合適的數(shù)學模型，并利用恰當?shù)南拗茥l件求解;能夠?qū)⒐こ袒A(chǔ)和專業(yè)知識用于控制類專業(yè)復(fù)雜問題的分析、設(shè)計和優(yōu)化。其次，培養(yǎng)學生的問題分析能力，能夠應(yīng)用數(shù)學、自然科學、工程科學的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析控制工程領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題，以獲得有效結(jié)論。此外，訓練學生的工程研究技能，使他們能夠基于科學原理并采用科學方法對控制領(lǐng)域復(fù)雜工程問題進行研究，包括設(shè)計性實驗、分析數(shù)據(jù)、并通過科學的方法進行信息綜合得到合理有效的結(jié)論。

三、復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)教學方法

（一）構(gòu)建與整合教學內(nèi)容

依照本科生的培養(yǎng)方案，根據(jù)校企合作的特點，為了加強我校應(yīng)用性本科生“工程實踐性”的培養(yǎng)，需要依據(jù)校企合作特點和工程認證背景，構(gòu)建課程教學的知識架構(gòu)，并完成工程仿真實驗和實時控制實驗內(nèi)容的整合。

按照課程的教學順序，自控原理課程的知識架構(gòu)包括：自動控制系統(tǒng)的基本概念介紹與描述，控制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立，控制系統(tǒng)的時域分析方法，控制系統(tǒng)的根軌跡分析方法，控制系統(tǒng)的時域分析方法和采樣控制系統(tǒng)的分析。現(xiàn)代控制理論課程主要包含狀態(tài)空間建立、運動學分析、能控能觀性分析、穩(wěn)定性分析和線性系統(tǒng)綜合這五個模塊。而復(fù)雜工程問題作為一類工程問題，從根本上是以應(yīng)用為目的的問題，解決復(fù)雜工程問題所需的知識、素質(zhì)，以及所采用的分析與研究方法，都需要在社會應(yīng)用、工程應(yīng)用中形成。企業(yè)教師首先帶領(lǐng)學生進入實驗室，實物演示磁懸浮系統(tǒng)，球桿系統(tǒng)和移動機器人等控制系統(tǒng)，學生初步認識這些控制系統(tǒng)的控制目標和任務(wù)，然后提出如何進行這些控制系統(tǒng)的工程設(shè)計呢？學校理論教師根據(jù)工程提出的問題帶領(lǐng)學生進行課堂教學內(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模塊中，撰寫工程實踐講義。

1.建立復(fù)雜工程問題模型。磁懸浮控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的工程控制系統(tǒng)，它的運動涉及電與磁的領(lǐng)域，不同于一般的控制對象，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、非線性和開環(huán)不穩(wěn)定的特性。針對該復(fù)雜工程實例進行建模涉及自控和現(xiàn)代控制課程中的多個工程知識。該磁懸浮系統(tǒng)的數(shù)學模型抽象是以磁懸浮系統(tǒng)的動力學關(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)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，案例設(shè)計中運用泰勒級數(shù)展開，進行非線性系統(tǒng)的線性化處理，將其轉(zhuǎn)化為標準的傳遞函數(shù)模型和狀態(tài)空間模型。

2.復(fù)雜控制工程問題分析。復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)目標要求學生能夠應(yīng)用數(shù)學、自然科學、工程科學的基本原理，識別、表達、并通過自動控制理論知識分析解決的復(fù)雜工程問題——磁懸浮系統(tǒng)的間隙控制，以獲得穩(wěn)準快的控制效果。然而在實際應(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、環(huán)境、法律、安全等制約因素，若系統(tǒng)不完善將產(chǎn)生的負面影響、對社會可持續(xù)發(fā)展的影響等等。對硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計和主要設(shè)備的選型，需要掌握工程管理的預(yù)算情況和經(jīng)濟決策知識，最終將體現(xiàn)在規(guī)劃、設(shè)計和實施中。

3.復(fù)雜控制工程的控制方案設(shè)計與研究。磁懸浮是一個典型不穩(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)實時的控制這些都是磁懸浮控制的關(guān)鍵問題。因此，建立完模型之后還需要對其進行合理的控制以便達到穩(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中進行仿真以達到穩(wěn)準快的控制效果，最終在磁懸浮教學系統(tǒng)上實現(xiàn)懸浮小球的實時控制。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該工程領(lǐng)域復(fù)雜工程問題進行研究，包括設(shè)計性實驗、分析數(shù)據(jù)、并通過科學的方法進行信息綜合得到合理有效的結(jié)論。

（二）教學方式改革

由于自動控制原理和現(xiàn)代控制理論性強，結(jié)論定理多，針對此現(xiàn)象，簡化理論，重工程前提下，整合內(nèi)容。在課程教學實施中，教學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。采用項目型教學方法，在教學過程中把理論與實踐有機地結(jié)合起來，使學生完成指定項目的分析、實施和總結(jié)工作。比如，先提出一個實際磁懸浮控制系統(tǒng)的工程項目實例，任課教師從企業(yè)教師處獲取實際控制系統(tǒng)有關(guān)圖紙，設(shè)計說明書等，以實際控制系統(tǒng)應(yīng)用案例為主線，貫穿課程知識架構(gòu)里的所有內(nèi)容。采用案例型和互動型教學相結(jié)合的方法。

四、結(jié)論

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

參考文獻

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[2]徐辰華.CDIO模式下《現(xiàn)代控制理論》課程輻射教學方法探索[J].教育教學論壇，2016（3）：109-110.