基于应用型大学《金属材料成型自动控制》课程教学改革研究

石磊 安俊超 曹永青 柳翊 左寒松 张伟

[摘 要] 探讨材料成型及控制工程专业培养中的传统和现代《控制工程基础》课程的教学现状和存在的问题，结合应用型大学该专业的培养特点提出改进《金属材料成型自动控制》课程的方法以及具体的实施方式，经过对毕业生的跟踪调查，验证改革的效果和必要性。

[关 键 词] 应用型大学；材料成型及控制工程；自动控制；课程改革

[中图分类号] G648 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）19-0084-02

近年来，建设高水平应用型大学成为国内高等院校体制改革的重要课题，笔者所在的院校承载着历史赋予的使命在应用型大学教育战线上筚路蓝缕、开拓奋进，在推动应用型大学的改革和教育发展的过程中应发挥应有的职能作用。《金属材料成型自动控制》是材料成型及控制工程专业的培养方案中的专业基础课程之一。推进《金属材料成型自动控制》课程的教科研创新、提升教学质量和学生基本素质、强化专业方向的引领作用，必须大力深化课程改革，为应用型大学教育质量提升和内涵发展努力。

一、《金属材料成型自动控制》课程的定位与传统教学内容

《金属材料成型自动控制》课程在我国工科专业中属于专业基础课，不少大学将其列为必修课。该课程近几年的发展主要为淡化经典控制、现代控制与智能控制的界限，突出实用论和方法论；重点阐述与材料成型密切相关的共性问题，适应拓宽相关专业培养方向口径的需要；不苛求严格的数学公式推证和理论精度，从直观的物理属性概念出发去分析问题与解决问题；特别重视在工程上的直接应用，教学中附有较多机械、电子、液压、气动等方面的理论，还提供控制理论和对应的结构方框图在工程中应用。

关于控制理论和方法方面，目前国内外除采用数学理论推导外，大多数该课程的改革中还采用SPSS软件和MATLAB等先进软件分析和设计系统；教学研究改革的目标是使课程趋于教师好教学生易学；达到理工科的加工类、机械类等专业的培养创新创业能力与传授科学知识水平提高的目的。

传统式的《金属材料成型自动控制》课程教育以讲述《控制工程基础》中的经典控制论为主，使学生学会运用信息处理、系统分析与综合、解决控制程序的基本方法。一般的，还教授线性和非线性控制系统、计算机采样控制系统和自动控制系统计算机辅助分析的基本方法，以使学生通过课程的学习建立起这方面的基本概念。具体内容一般包括系统的数学模型、线性系统和计算机采样控制系统、时域响应分析、频域响应分析、误差分析、系统的综合与校正、非稳定性分析。因此较为适合于机械设计制造及自动化专业、材料成型与控制工程专业。

二、现代《金属材料成型自动控制》的教学现状

现代《金属材料成型自动控制》课程的细分领域主要包括基于模拟结果的控制系统的动态数学模型以及相应的数据库，用于对比实际加工的实时步骤；还包括控制系统的稳定性过程分析；控制系统的频率特性；控制系统的误差分析和计算；控制系统的综合與校正；根轨迹法；控制系统的线性和非线性问题；计算机过程控制系统。针对前述几个方面，传统的教学方法主要有拉格朗日法、逼近法、控制工程的理论、省略法等；从分析误差到非线性设计传统的教学方法以几种经典的控制方法为主。针对计算机控制系统，现有的教学方法无法体现出针对材料成型及控制工程专业的毕业生所面对的工作岗位的难题，整体教学方法无法对材料成型及控制工程专业的毕业生所面对的工作条件创造有利的方法。虽然学习完成后对计算机控制系统有一定的了解，但是在工作的初级阶段，对现场控制的理解和解决工作并不能完全胜任。

随着应用型大学教育理念的提出，采用经典控制理论介绍为主、以公式推导控制理论建立为主要教育方法的已经不再全部适用。而在材料成型及控制工程专业的控制工程课程教育中，与专业息息相关的轧制控制、挤压控制、锻压控制和铸造过程中的凝固控制无法得到具体体现，使学生无法更为直观地了解《金属材料成型自动控制》课程的意义和理论。

三、课程亟待改革的问题

为适应自动控制技术针对材料成型及控制工程专业的学生在毕业后所对应的行业广泛应用的现状，应该加入自动控制在硬件和软件两个方面的基本原理教育、主要数学模型的基本构成、不同成形方法过程如连铸、挤压、加热和轧制等对自动控制技术的要求和发展现状，其中材料成型过程的自动控制应是本课程教授的重点。还应包含技术发展，使学生接触较为前沿的内容。从自动控制的基本概念到自动控制原理，如轧制/挤压/铸造凝固特色成形（以下简称特色成形）控制计算机系统的数学模型，特色成形过程计算机控制系统，特色成形生产过程自动控制，特色成形中所用到的连续加热炉生产过程自动控制，高速线材生产过程自动控制，轧制过程在厚度、连轧张力、活套、板形、温度和位置方面的自动控制，凝固过程中的凝固方向和凝固速度控制。

基于以上分析，《金属材料成型自动控制》这门课程在材料成型及控制工程专业教育中已经越来越受到重视，由于传统方法理论推导较多、控制方法和过程的可视化的教学较少、学生通过学习无法达到对控制过程进行设计、使用和维修的能力等局限性，迫切需要发展《金属材料成型自动控制》课程的控制过程可视化改革。然而，由于关于材料成型专业的控制过程的复杂性，单纯采用课堂讲解教学方法和增加试验课程方法都难以准确、全面地实现学生对控制过程的预测与控制可调性。

四、课程改革的具体方式

1.增加原课程中的实验部分，单列《金属材料成型自动控制综合实验》课程：将物理实验控制过程模拟、控制过程数值模拟和可视化教具有机结合，对《金属材料成型自动控制》课程在材料成型及控制工程专业的教学问题进行系统深入的实验性研究，深刻理解与解决这些关键教学问题。

2.理论教学与实验有机结合，采用合理的控制过程教具：PLC控制器的使用及其编程实验6个课时以上，深入了解PLC梯形图触点状态与逻辑的关系，梯形图中线圈相关的编程元件的状态。实验接近梯形图预研从左至右、从上到下的常规顺序。根据映像寄存器中的输入进而学习逻辑解算。

3.小型橡皮泥轧制机的物理模拟应用：采用橡皮泥作为模拟轧制的材料，一般采用家用50～100mm轧辊直径的“压面条机”改造成小型轧机，改造加入压下控制装置执行系统，轧机启停自动控制，压下和轧辊转速自动控制模仿速度级控制系统。

4.铸造成型过程的连续生产线及凝固组织控制：在小型铸造模拟生产线上采用PLC控制器和相应的执行机构完成翻箱造型、浇铸系统液位控制和角度控制。利用液态水或乙醇在透明容器内一侧加液氮冷却产生定向凝固控制的观察系统。将物理实验控制过程模拟、成型过程控制数值模拟和微观成型过程的有机结合。

通过以上四个方面的《金属材料成型自动控制》实验课程改革，笔者所在的院系材料成型及控制工程专业毕业生进入岗位以后，能较快适应所在铸造、轧制等岗位；根据目前对毕业后对口专业的17名学生的跟踪调查，超过70%的毕业生完全胜任岗位的实习时间比采用先前采用传统《控制工程基础》课程教育的毕业生快50%以上。

五、结语

根据我校应用型大学教学改革的迫切需求，结合材料成型及控制工程专业的培养特点，针对《金属材料成型自动控制》进行了课程改革，改革的效果良好，实用性更强，毕业生对相关工作岗位的适应能力大幅提升，有助于应用型大学材料成型及控制工程专业教学质量的提高。

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