针对复杂工程问题的控制理论课程改革方案探讨

高瑜 余雷 季清

[摘           要]  培养本科生解决复杂工程问题的能力是工程教育专业认证的重点要求，“自动控制原理”与“现代控制理论”作为自动化专业的两门核心课程，依靠传统的教学方式已无法支持“以学生为中心”的全新教学理念。探讨在专业认证的背景下，如何将实际工程问题融入控制理论课程教学过程中，加强工程教育与工业界的联系，达到提高毕业学生国际竞争力的目的。

[关    键   词]  复杂工程问题;控制理论;课程改革

[中图分类号]  G642                 [文献标志码]  A              [文章编号]  2096-0603（2020）01-0032-02

一、引言

自动化技术是推动我国工业现代化发展的重要力量，高等教育体系中自动化专业对人才的培养在国家科技和经济发展中起着举足轻重的作用。自2016年我国加入《华盛顿协议》以来，国内许多院校参照国际工程联盟规定的各项认证标准进行课程体系建设和教学模式改革，目的是使工科教育水平与国际化接轨。在这样的背景下，传统控制理论课程教学模式存在的问题和缺陷逐渐暴露，难以满足专业认证中对本科生综合素质和创新能力的培养要求，无法使毕业生在日益激烈的就业形势中展现优势。本文首先对经典控制理论部分的教学内容进行重新整理与规划，然后优化完善了实验教学过程，最后提出一种用于工程实践教学的工业化控制平台。

二、复杂工程问题描述

工程教育认证工作指南中明确指出，对本科生解决复杂工程问题能力的培养是考核的重点之一。苏州大学电气工程及其自动化专业通过全面的调查与研究，以“自动化产线”为载体，“系统设计、集成和控制问题”作为具体内容，按照成果导向教育理念构建课程体系，制定教学目标，规范教学过程，总结教学效果，运用深入的工程原理突出“综合、实践与创新”的特点。

该“自动化产线”综合多种技术知识，如气动控制、机械传动与机械连接、测量与传感，PLC控制和组网，步进电机位置控制、伺服控制和变频器等，以“信息和控制”为核心构建物理信息系统。通过立体仓库、机械手臂、自动引导小车模拟智能电表的装配、检测、运输过程，整个生产线由上料单元、检测单元、分拣单元和下料单元4个模块组成，各工作站均设置一台PLC承担其控制任务，各PLC之间通过RS485串行通信实现互联，构成分布式控制系统。

三、改革方案设计

（一）调整教学内容

支撑复杂工程问题的课程体系由11门基础理论课构成，其中“现代控制理论”和“自动控制原理”是整个体系中的重要环节。多数高校的“自动控制原理”课程教学内容以经典控制理论为主，包括复数域模型、系统性能指标、根轨迹、频域分析、系统校正，虽然涉及许多控制领域的早期成果，但部分內容在很大程度上仅具备理论价值，在现今的实际控制系统中已极少使用。而“现代控制理论”课程内容涵盖了智能控制、优化控制、神经网络等领域的基础知识，在工业生产过程中多变量复杂控制问题日益增多的今天，基于状态空间的建模与控制方法已逐渐取代经典控制理论中的复数域、频域分析方法。因此，本文重点对“自动控制原理”课程中涉及工业应用的教学内容作了整理，并对授课课时做了重新的分配，见表1。

经过以上调整，课堂授课保持72学时不变，其中“线性系统的根轨迹法”从12学时缩减至4学时，理由是该部分知识在工业场景中已失去应用价值。除了介绍根轨迹的基本概念与意义以外，将不再详细讲授根轨迹的手工绘制法则，取而代之的是运用MATLAB软件进行仿真绘图，利用直观方法加深学生对根轨迹图包含理论意义的理解。

（二）完善实验教学

工程教育专业认证标准指出一切教育活动需以“学生为中心”开展，这就要求对传统控制理论实验教学进行优化和调整，具体实验教学计划如表2所示。

实验内容分为设计性（操作）实验与验证性（仿真）实验两种类型，学生在18个学时内需要完成6个实验课题。其中，设计性实验仪器为THKKL-6型控制技术实验箱，目的在于锻炼学生对电路控制系统的构建与操作能力，而验证性实验将教科书中部分较难理解的理论化知识运用仿真软件直观展示，有助于加深学生对概念的理解。

（三）建立工程实践平台

选择双轴进给驱动系统构建工程实践平台（下图），该设备由计算机数控系统发出指令信号，经伺服驱动器控制电机转动，通过滚珠丝杠将伺服电机的旋转运动转换为工作台的线性运动，实现工作台在X-Y轴的快速进给移动。同时由直线光栅尺监测工作台实际位移进行反馈，形成闭环控制系统，其控制目标与复杂工程问题中的立体仓库大致相同。

基于该实践平台，学生既可以运用经典控制理论中的知识建立传递函数模型与控制系统框图，又可以运用现代控制理论建立状态空间模型，很大程度上培养了学生对实际系统的建模能力。同时，学生还可以完成系统分析、控制方法设计、传感器安装调试、软件编程等进一步的实验活动，有助于提高学生独立思考与自主创新的能力。

四、结束语

对学生解决复杂工程问题能力的培养是一个循序渐进、综合集成的过程，更是动态形成和持续改进的过程，结合控制理论课程自身特点，对教学大纲的内容、学时进行重新分配，改进了实验环节，并构建工程实践平台，增强了控制理论课程与实际工业系统的联系，对提高自动化专业毕业生的综合素质和竞争力具有现实意义。

参考文献：

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编辑 张 慧