《控制工程基础》课程教学改革与实践

王冰 韩伟娜 陈丽缓 陈宇航 何斌太

[摘要l《控制工程基础》是高等学校机械工程类专业的一门专业核心课程，主要研究自动控制系统分析与综合的基本原理。结合课程教学中存在的实际问题，从课程内容、教学方法和教学团队等方面进行改革，通过课程改革，加强了学生能力的培养，实现了课程设置的目的。

【关键词】控制工程基础;教学改革;教学实践

〔中图分类号〕6642 〔文献标识码〕A 〔文章编号〕1674-3229（2021）04-0109-03

0 引言

随着现代科技的飞速发展，控制理论在机械工程领域的应用越来越广泛。《控制工程基础》作为一门专业基础课，它是机械工程类，特别是机械电子工程专业的重要理论基础之一，为培养符合现代化技术要求的机械工程人才发挥了非常重要的作用。因此，《控制工程基础》课程教学的优劣对于机械工程类，尤其是机械电子工程专业人才培养目标的实现有着极为重要的影响。本文结合《控制工程基础》课程教学实践中遇到的新问题，从优化教学内容、改革教学方法、教学团队建设、科研反哺教学等几个方面对《控制工程基础》课程进行了教学改革与实践。

1 优化教学内容

目前在我校《控制工程基础》课程教学实践中存在两个比较突出的问题。

一是伴随着我校工程认证的教学改革，人才培养方案的总体学分不断压缩，相应的《控制工程基础》课程学时不断减少，在最新版的人才培养方案中，《控制工程基础》课程为32学时和2学分。

二是我校为新建本科院校，伴随着高等院校的不断扩招，生源质量逐步下降。而《控制工程基础》课程内容较多且比较抽象，理论性又较强，教学内容与课程学时之间、生源质量和课程难度之间的矛盾越来越突显。

为解决上述矛盾，迫切需要对《控制工程基础》课程内容进行优化。

首先，优选教材。选取华中科技大学杨书子院士等编著的《机械工程控制基础》作为课程的主讲教材。该书曾获国家级优秀教学成果二等奖和全国高等学校机电类专业优秀教材一等奖，是适合机械工程类学生学习控制理论基础的经典之作。

其次，优化教学内容。以控制工程的基本概念、数学基础（拉普拉斯变换的数学方法）、系统的数学模型、系统的时间响应分析、系统的频率特性分析、系统的稳定性、系统的校正、利用MATLAB分析和设计控制系统作为课程的基本内容。

课程内容涵盖了“建模、分析、综合”三个基本问题，实现了课程设置的目的，即使学生能以动态的观点去看待一个机电控制系统，特别培养学生通过对机电控制系统中信息的传递、转换和反馈过程等的分析建立机电控制系统数学模型的能力;对机电控制系统进行动态分析的能力;对机电控制系统进行设计和综合的能力及使用计算机进行仿真的能力[1]。

2 改革教学方法

传统的《控制工程基础》课程教学方法为线下课堂的板书讲授，随着课程学时的不断压缩，板书授课效率低的弊端突显。受新冠疫情的影响，线下课堂讲授的单一教学模式也难以满足新情况下的教学实际需求。为解决上述问题，在教学方法上做了如下改革与实践。

首先，将传统的板书教学改为以多媒体教学为主、板书教学为辅的教学方法。同时，针对《控制工程基础》课程理论深、计算多、绘图难的特点，在教学中引入了MATLAB对控制系统进行辅助分析与设计。通过多媒体技术和计算辅助分析与设计技术的引入，使得枯燥的理论教学变得生动形象，极大地提高了授课效率。

其次，新增了一个控制系统分析与设计的实际工程案例。以典型机电控制系统—数控直线运动工作台位置控制系统为案例，将其贯穿于课程教学的始末，从系统建模、系统时间响应分析、系统频率特性分析、系统稳定性分析到系统校正，以此为例展开，帮助学生系统地学习机电控制系统分析与综合的完整初步知识，使学生知行合一、学以致用。

最后，构建网络教学平台。利用超星泛雅平台构建《控制工程基础》课程网络教学平台，逐步形成了线上与线下教学相结合的教学模式。在网络教学平台上提供了课程视频、电子图书、电子课件、电子教案等各种教学资料，同时网络教学平台还具有签到、讨论、答疑、作业、考试、直播等各种功能。网络教学平台成为线上教学的有益补充，学生可根据自身情况，灵活地选择学习时间、学习内容和学习方法进行自主学习，并与任课教师灵活互动，培养了学生学习能力和思维能力。

3 教学团队建设

本校2004年升级为普通本科院校之初，机电工程学院只有“机械设计制造及自动化”一个本科专业需讲授《控制工程基础》课程，课程专任教师只有1人。伴随着我国高等教育的蓬勃发展和我校办学实力的提升，我校机电工程学院现有本科专业7个，硕士学位授权点2个，原有的师资已经远远不能满足控制理论教学的实际需求。近年来，我校极为重视《控制工程基础》课程的教师团队的建设，一方面加强高层次人才的引进，另一方面注重原有教师自身能力和学历的提升。该课程教师团队现有专任教师5人，其中教授2人，副教授1人，讲师2人;博士2人，硕士3人;40-50岁2人，30-40岁3人。师资队伍的职称、学历和年龄结构合理，可胜任我校机电工程学院本科生和研究生的控制理论教学的实际需求。

4 科研反哺教学

在教学实践中发现新问题，提出新方法，并将科研成果反哺于教学。在指导学生课程实验过程中，发现学生在做“单节直线倒立摆”和“球杆系统”的PID控制器设计实验时，在设计PID控制器参数过程中存在很大的盲目性，而理论上的推导又十分困难。针对这一現象，并考虑到机械工程类学生习惯于通过查阅图表进行设计的特点，将机构学领域的“空间模型理论”[3]引入到控制工程领域，提出了“控制空间（CS—Control Space）”的概念和“控制器设计的性能图谱法”[4-5]，并将该成果应用于学生课程实验和课程大作业的指导。

图1为所述“设计空间”的平面图，由图1可见“控制空间”内的任意一点pcs都唯一对应一组PID控制器参数，如利用MATLAB将控制系统的控制性能指标等值线绘制于“控制空间”平面图内，则可得到控制系统的“控制性能图谱”。所述控制性能图谱建立了控制性能指标与控制器参数间的一一对应关系。学生查阅这些图谱，就可以很方便地检索到所需的控制器参数值或参数值的参考区间，为控制系统的控制器设计提供一种方便可行的新方法。图2为球杆系统的相对谐振峰值性能图谱。

5结语

高等工程教育是要培养厚基础、善应用、具有柔性和创造性的高级工程技术人才，而这一目标的实现要落实到具体的课程教学中来，因此需要不断与时俱进地开展课程的教学改革与实践。本文从优化教学内容、改革教学方法、教学团队建设、科研反哺教学等几个方面进行了探索，实现了课程设置的目的、加强了学生能力的培养、保障了人才培养目标的实现。

[参考文献]

[1]董霞，李天石，陈康宁.机械工程控制基础[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]杨叔子，杨克冲，吴波，等.机械工程控制基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2018.

[3]高峰，刘辛军，金振林.机器人机构CAD研究[J].机械工程学报，2000（4）：9-13.4

[4]王冰，方跃法.PID控制器设计的频域性能图谱法[J].控制工程，2018（11）：1953-1958.

[5]王冰，韩伟娜，杨墨.一种机电系统PID参数整定方法[P].专利号：ZL2015102738537，2018.

[收稿日期]2021-07-15

[基金项目]河北省高等教育教学改革研究与实践项目（2019GJJG371）

[作者简介]王冰（1976-），男，博士，北华航天工业学院机电工程学院教授，硕士生导师，研究方向：机器人机械学。