基于复杂工程问题能力培养的控制理论课程群教学探索

丁肇红 钱平

[摘 要] 培养工科学生具有解决复杂工程问题的能力是工程教育认证毕业要求的核心问题。依据课程实施校企合作和工程认证背景下，结合控制理论教学特点，在教学实施中给学生传授控制理论知识的同时，注重培养本科生面对复杂工程的解决能力，提高学生的控制工程实践创新性。

[关键词] 复杂工程问题;控制理论;工程教育认证

[基金项目] 上海应用技术大学课程建设项目（1021zk191402004）

[作者简介] 丁肇红（1966—），女，山东日照人，硕士，教授，研究方向为控制理论与控制工程、智能控制。

[中图分类号] G642    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）37-0188-02    [收稿日期] 2019-11-10

一、引言

自2013年中国加入华盛顿协议后，高等工程教育已开始走向国际化，中国工程教育专业认证正式被国际同行认可。工程教育认证标准由通用标准和各专业补充标准构成，其中关于毕业生应达到的12项毕业要求的通用标准中，有6项涉及“复杂工程问题”。在课程教学过程中如何落实“复杂工程问题”的分析与解决，这对毕业要求的达成将起到至关重要的作用。

在自动化和电气工程及其自动化专业工程教育认证的背景下，为了进一步培养和提高学生分析问题、解决实际工程问题的能力，促进工程教育认证中关于复杂工程问题毕业要求的达成，开展控制理论课程群工程化教学改革，极具必要性。

二、复杂工程问题的理解与培养目标

（一）复杂工程问题的理解

工程教育认证标准中提到的“复杂工程问题”必须具备下述特征：①必须运用深入的工程原理，经过分析才可能得到解决;②涉及多方面的技术、工程和其他因素，并可能相互有一定冲突;③需要通过建立合适的抽象模型才能解决，在建模过程中需要体现出创造性;④不是仅靠常用方法就可以完全解决的;⑤问题中涉及的因素可能没有完全包含在专业工程实践的标准和规范中;⑥问题相关各方利益不完全一致;⑦具有较高的综合性，包含多个相互关联的子问题。

（二）培养目标

对本科生毕业认证的一个关键要求是毕业生解决复杂问题的综合能力和高级思维，更多的是能力和思维的训练。首先，在工程知识方面，使学生能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决控制工程领域复杂工程问题;能够针对一个控制类专业的复杂问题建立合适的数学模型，并利用恰当的限制条件求解;能够将工程基础和专业知识用于控制类专业复杂问题的分析、设计和优化。其次，培养学生的问题分析能力，能够应用数学、自然科学、工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析控制工程领域的复杂工程问题，以获得有效结论。此外，训练学生的工程研究技能，使他们能够基于科学原理并采用科学方法对控制领域复杂工程问题进行研究，包括设计性实验、分析数据、并通过科学的方法进行信息综合得到合理有效的结论。

三、复杂工程问题能力培养教学方法

（一）构建与整合教学内容

依照本科生的培养方案，根据校企合作的特点，为了加强我校应用性本科生“工程实践性”的培养，需要依据校企合作特点和工程认证背景，构建课程教学的知识架构，并完成工程仿真实验和实时控制实验内容的整合。

按照课程的教学顺序，自控原理课程的知识架构包括：自动控制系统的基本概念介绍与描述，控制系统数学模型的建立，控制系统的时域分析方法，控制系统的根轨迹分析方法，控制系统的时域分析方法和采样控制系统的分析。现代控制理论课程主要包含状态空间建立、运动学分析、能控能观性分析、稳定性分析和线性系统综合这五个模块。而复杂工程问题作为一类工程问题，从根本上是以应用为目的的问题，解决复杂工程问题所需的知识、素质，以及所采用的分析与研究方法，都需要在社会应用、工程应用中形成。企业教师首先带领学生进入实验室，实物演示磁悬浮系统，球杆系统和移动机器人等控制系统，学生初步认识这些控制系统的控制目标和任务，然后提出如何进行这些控制系统的工程设计呢？学校理论教师根据工程提出的问题带领学生进行课堂教学内容的整合。本节以磁悬浮系统建模与控制为例，将上述自控和现控课程的教学内容与复杂工程解决能力培养方案相结合，将该工程案例贯穿于知识模块中，撰写工程实践讲义。

1.建立复杂工程问题模型。磁悬浮控制系统是一个复杂的工程控制系统，它的运动涉及电与磁的领域，不同于一般的控制对象，系统形式和结构各不相同，但究其本质都共同具有复杂性、不确定性、非线性和开环不稳定的特性。针对该复杂工程实例进行建模涉及自控和现代控制课程中的多个工程知识。该磁悬浮系统的数学模型抽象是以磁悬浮系统的动力学关系、系统的电磁力关系、功率放大器模型及电磁铁中控制电压与和电流的模型关联方程为基础建立，磁悬浮系统是一个复杂的非线性系统，案例设计中运用泰勒级数展开，进行非线性系统的线性化处理，将其转化为标准的传递函数模型和状态空间模型。

2.复杂控制工程问题分析。复杂工程问题能力的培养目标要求学生能够应用数学、自然科学、工程科学的基本原理，识别、表达、并通过自动控制理论知识分析解决的复杂工程问题——磁悬浮系统的间隙控制，以获得稳准快的控制效果。然而在实际应用中需考虑多方面的技术和工程因素，例如系统的稳定性和控制的复杂性是相互冲突的因素，控制的精度与速度也是相互制约的因素。另外，通过深入了解课题的工程应用背景，能正确理解磁悬浮系统所涉及的经济、环境、法律、安全等制约因素，若系统不完善将产生的负面影响、对社会可持续发展的影响等等。对硬件结构的设计和主要设备的选型，需要掌握工程管理的预算情况和经济决策知识，最终将体现在规划、设计和实施中。

3.复杂控制工程的控制方案设计与研究。磁悬浮是一个典型不稳定的系统，其模型的正确性与合理性有着至关重要的作用，控制算法的选择以及参数的选择是否合理，是否能够实现实时的控制这些都是磁悬浮控制的关键问题。因此，建立完模型之后还需要对其进行合理的控制以便达到稳定悬浮的效果，采用有有效的控制方案，例如工程上应用最为广泛的PID控制和频域法控制，在matlab中进行仿真以达到稳准快的控制效果，最终在磁悬浮教学系统上实现悬浮小球的实时控制。其中，复杂工程能力培养的关键在于能够结合控制原理，并采用控制综合方法对该工程领域复杂工程问题进行研究，包括設计性实验、分析数据、并通过科学的方法进行信息综合得到合理有效的结论。

（二）教学方式改革

由于自动控制原理和现代控制理论性强，结论定理多，针对此现象，简化理论，重工程前提下，整合内容。在课程教学实施中，教学方法上注重多种方式的结合，给出的一些创新举措及案例分析。采用项目型教学方法，在教学过程中把理论与实践有机地结合起来，使学生完成指定项目的分析、实施和总结工作。比如，先提出一个实际磁悬浮控制系统的工程项目实例，任课教师从企业教师处获取实际控制系统有关图纸，设计说明书等，以实际控制系统应用案例为主线，贯穿课程知识架构里的所有内容。采用案例型和互动型教学相结合的方法。

四、结论

本文结合控制理论教学特点，针对现代控制理论的校企合作特点和工程认证背景，提出了适合我院的控制理论课程的理论教学和实践教学方案，对自动控制原理和现代控制理论提出了一系列可行可操作的教学内容和教学方式改革举措。实践证明，在控制理论课程中，合理地安排理论教学，将课程实验与企业的工程实例相结合的教学方案，取得了较好的效果，对培养本科生的复杂工程解决能力和提高学生的实践创新性有一定的指导意义。

参考文献

[1]林健.如何理解和解决复杂工程问题——基于《华盛顿协议》的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016（5）：17-26.

[2]徐辰华.CDIO模式下《现代控制理论》课程辐射教学方法探索[J].教育教学论坛，2016（3）：109-110.