基于CDIO的《控制理论与工程》课程综合改革研究

王坤　罗云林

摘要：针对CDIO教学模式和培养模式的要求，为增加学生对所学控制理论课程的系统性和综合性认识，并及时将其应用于实践过程中，本文对控制理论课程内容进行了修订，在教学过程中加大工程实践能力的培养，为本校CDIO试点专业的教学实践提供了重要的依据。

关键词：CDIO；《控制理论与工程》；课程综合改革

中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）48-0114-03

一、引言

随着国内经济的飞速发展，随之而来的工程教育中的问题是学生知识面狭窄，学习缺少自主性和创造性，学科教育与工业实践脱节，学生在现代工业生产中赖以生存和成长的团队精神、交流能力和多学科、系统掌控能力几乎得不到任何发展。近年来，工业界逐渐认识到由于严重脱离实践，高校工程专业所培养的毕业生难以适应现实工业生产的需要。为此，许多大型工业公司纷纷列出他们所需的工程师必备素质详单（如波音公司）。控制理论课程，是高校电类、自动化等相关专业的一门重要的专业基础课，是本科生后续课程和研究生课程的基础，是培养学生认识和掌握方法论、系统论的关键课程。该课程的主要任务是通过对控制理论知识的学习，培养学生对控制系统的设计能力、工程实践能力和创新能力。该课程的特点是理论性强，内容比较抽象，在控制系统分析和设计过程中涉及各种分析方法的绘图和复杂的计算，教学内容既抽象又与实践密切联系，概念难以理解[1]。控制理论课程所涉及的知识与其控制对象的性质有关，触及人类活动的各个方面，如天文观测、航空航天、军事、工业、农业等；此外，在讨论控制对象的数学模型和分析其性能时，还需要大量的作为工具的数学知识，如高等数学、线性代数、积分变换、复变函数、物理等诸多基础课的内容，涉及知识面广，理论知识较多，对学生的基础课程要求较高，在教学中容易出现学生缺乏这些准备知识的现象，造成学生学习上的畏难情绪，影响教学效果。《控制理论与工程》课程的研究对象是具体的生产过程或者装置，为研究该系统，需要对该系统进行建模，故在开始阶段需要介绍大量关于控制的诸如被控对象、输出量、测量装置、反馈等概念。由于是第一次接触控制类的课程，所以，学生接受起来比较困难。对于系统而言，我们可以用不同的数学模型来描述，如微分方程、传递函数、频率特性等；对系统分析时，我们可以采用时域、频域和复数域的分析方法等，这些会造成学生理解上的混乱和学习中的困难。这些抽象的概念和推理在数学体系下进行，而物理概念、工程概念相对较少，学生学习的难度较大，他们不容易有学习的兴趣，教学过程易枯燥[2]。控制理论研究的对象为实际的自动控制系统，探讨的是控制过程的性能及其规律性，其理论具有很强的应用性，具有明显的理论性和工程性，与基础课程相比，在研究方法和学习方法方面都有较大的区别，造成了教学上的思维障碍。目前的教育思路是培养具有实践能力的、能适应社会要求的工程师教育，在该思想的影响下，学生的就业压力较之以往更大。因此，关注点就主要集中到如何面向实际迎合就业需求上，从而导致理论课程教学的难度更加大。在理论课程的教学过程中，教师往往是在绪论部分引入该课程的相关的概念和基础知识，使学生对该课程有一大致的认识和了解，因此，每门课程的开始部分是最难以讲授的，需要通过较少的时间将该课程的位置、意义等简述清楚，让学生对该课程感兴趣是一个非常重要而又困难的工作。如果开头部分，学生就没有对该课程有了一个较为全面的认识，那在今后的课堂学习中，即使听了也只是照葫芦画瓢，一知半解，到真正实践的时候，学生不知道如何与所学理论结合起来。目前，各高校在控制理论的教学中，先讲授经典控制理论，主要是介绍控制系统的基础知识、概念，控制系统的数学模型，分析系统的时域法、根轨迹法和频域法，熟悉控制系统的综合校正方法，了解离散控制系统和非线性系统的特点和分析方法等知识。作为后续课程的现代控制理论，它主要从系统的状态空间模型出发，讲授系统的能控能观性、系统的稳定条件、线性系统的校正和状态观测与最优估计等内容。

二、CDIO理念

CDIO是国际创新型工程教育模式，它是由美国麻省理工学院和瑞典皇家工学院等四所大学历经四年的研究成果。CDIO是构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）、运作（Operate）四个英文单词的缩写，它是“做中学”和“基于项目教育和学习”的集中概括和抽象表达。CDIO以产品研发的全过程为载体，培养学生工程基础知识、个人、人际团队和工作系统四个方面的能力。其中，“构思”，包括顾客需求分析，技术、企业战略和规章制度设计，发展理念、技术程序和商业计划制定；“设计”，主要包括工程计划、图纸设计以及实施方案设计等；“实施”，特指将设计方案转化为产品的过程，包括制造、解码、测试以及设计方案的确认；“运行”，则主要是通过投入实施的产品对前期程序进行评估的过程，包括对系统的修订、改进和淘汰等[3.4]。目前流行的CDIO工程教育是一种面向客户和产品的人才培养模式，该模式要求学生掌握扎实的基础理论和专业知识，并具有将理论知识应用到实际的能力，能够从产品的设计、开发阶段开始，将整个所学知识内容应用于产品的生命周期的开发过程中，从而成为一名合格的具有创新、实践和职业道德的工程师。CDIO教育模式从教学理念到课程，再到教学、评估进行整体改革，改变传统教育模式，提高工程人才培养质量。目前，CDIO教学模式注重培养学生的三种能力：①理论层面的知识体系，包括未来工程师个体必须掌握的基础科学、核心工程基础和高级工程基础等知识；②实践层次的能力体系，包括未来工程师所必须具备的工程推理与问题解决技能、实验与知识的发现技能、能够系统思维能力等；③人际交往技能体系，包括团队合作与沟通能力、外语交际能力和运作（CDIO）工程产品和系统的能力[5]。

三、基于CDIO的控制理论课程综合改革方法

针对CDIO教学模式和培养模式的要求，为增加学生对所学控制理论课程的系统性和综合性认识，并及时将其应用于实践过程中，故笔者改变现有的控制理论课程的教学过程，将经典控制理论和现代控制理论的理论课程融为一体，加入MATLAB基本工具，用来辅助分析、计算、设计和仿真研究；整合课程内容至一个教学学期中，在理论授课过程中增加自动控制系统的工程设计环节，完成“智能点滴监控系统设计”和“智能火警监测系统设计”两个初级项目的开发；同时，在控制理论的授课过程中，增加各种控制系统中常用的元件的原理介绍，并将这些常用的控制变换元件应用于自动控制系统的设计过程中，实现理论和实践的并重并用。具体内容如下。endprint

1.控制系统的基本概念和知识，对系统的基本要求和课程的基本任务。

实验1：控制系统基本概念的演示实验。

2.系统微分方程的建立，控制系统各环节所需控制元件原理及功能介绍，包括：测量元件、执行元件、放大元件等，重点要求步进电机以及带动一滑轮系统各种传感器的工作原理，引入“智能点滴监控系统”项目，了解该项目的主要功能；传递函数模型，动态结构图和信号流图系统模型，控制系统的状态空间表达及传递函数矩阵的建立及线性变换，数学模型之间的关系以及相互转化，并通过matlab来实现。

3.时域法分析二阶欠阻尼系统的方法，同时求解线性定常系统，建立系统的状态转移矩阵，分析系统的能控能观性，并对系统结构进行分析，根据李亚普诺夫稳定性的定义分析系统稳定性，分析系统的稳态误差来分析其准确性，并用matlab求方程的解；根据系统要求分析“智能点滴监控系统”与“智能火警监测系统”，确定系统模型。

实验2：系统时域性能分析实验。

4.根轨迹绘制及分析方法，通过matlab仿真软件绘制不同系统的根轨迹，并对高阶和二阶系统性能通过根轨迹曲线来进行仿真分析。

5.频域法通过分析开环频率特性来确定闭环系统的稳定性，通过matlab进行分析，分析不同参数及结构下系统的频率特性曲线，并从曲线上分析系统的性能。

实验3：系统频率特性测试实验。

6.线性系统的综合设计和校正方法（SISO和MIMO），分析“智能点滴监控系统”与“智能火警监测系统”，根据系统要求完成系统，确定系统结构和参数，合理选择控制系统所需元件及其参数，诸如步进电机、传感器等元件的选取，实现系统的设计；通过matlab仿真将校正前后系统的频率特性曲线和根轨迹曲线进行比较分析，明确校正装置对系统性能产生的影响。

实验4：连续系统串联校正实验。

7.非线性系统的分析方法，通过matlab仿真实现非线性系统分析。

实验5：非线性系统实验。

8.离散控制系统的分析方法，利用matlab仿真来分析离散系统的动态性能，给学生以直观的认识。

通过整合该课程的学习，学生可自行开发课堂内外的实验项目，并完成“智能点滴监控系统设计”和“智能火警监测系统设计”两个初级项目的设计开发任务。通过“智能点滴监控系统”和“智能火警监控系统”的设计开发，我们使得学生从理论和实践上充分理解智能测控系统的特点和作用，将所学的电路分析、电子技术基础、计算机原理与系统、自动控制原理与系统、智能检测技术、单片机与工业控制计算机等课程知识，将理论与实践在学习进程中紧密结合，系统地、循序渐进地将知识消化吸收。

我们通过本次课程的整合，旨在提高学生对控制理论课程的整体认识，通过穿插于课程中的实验项目和初级项目的开发，使得学生从对系统控制量的确定、系统性能的分析到确定系统模型，并合理正确地选择各个元件及其参数，实现两个系统的开发，使得学生从整体上认识控制系统的设计思路和方法，通过动手实践并实现系统功能。开发过程中的互助合作，能增强学生的团队合作能力和自我协调能力。这能激发学生学习兴趣，明确学习方向，转变学习态度，提高专业基础水平和团队合作意识，提高学生的实践能力，培养适应企事业单位需要的工程人才。

参考文献：

[1]司徒莹.CDIO与《自动控制原理》课程教学改革[J].教育教学论坛，2013，（25）：47-48.

[2]刘镇章，陈从桂，李东炜.CDIO自动控制理论课程的探讨[J].当代教育理论与实践，2012，4（7）：49-50.

[3]李善寿.”CDIO”工程教学模式在实践教学中的实施方法研究[J].重庆科技学院学报（社会科学版），2010，（20）：164-166.

[4]江帆，张春良，王一军，等.CDIO开放教学模式研究[J].教学研究，2012，35（2）：27-32.

[5]郭小勤，曹广忠.基于项目的CDIO理念在课程教学中的应用[J].实验科学与技术，2010，8（3）：83-85.

基金项目：天津市普通高校本科教学质量与教学改革研究计划（C04-0807）；中国民航大学教育教学改革研究课题（xjz2012004）

作者简介：王坤（1978-），女，天津人，副教授，主要从事自动控制原理及其相关课程的教学和研究；罗云林（1956-），男，四川人，教授，中国民航大学航空自动化学院副院长，主要从事控制理论方面的教学和科研。endprint