陳乃建 門秀花 王 娜 宋方臻 趙 珅

（濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250022）

《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程分析與教學(xué)方法研究

陳乃建 門秀花 王 娜 宋方臻 趙 珅

（濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250022）

針對《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程理論性強(qiáng)、知識覆蓋面廣的特征，以控制系統(tǒng)建模、分析與校正為主線，完成課程內(nèi)容優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)上，與學(xué)生的學(xué)習(xí)特點相結(jié)合，探索等效建模、虛擬仿真與案例分析等教學(xué)方法，改善《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程的教學(xué)效果。

《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》；課程分析；教學(xué)方法

0 前言

《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程是機(jī)械工程類專業(yè)人才培養(yǎng)方案中“具有較強(qiáng)的工程設(shè)計和產(chǎn)品開發(fā)能力”要求的一門專業(yè)必修課，是以設(shè)計技術(shù)、制造技術(shù)和機(jī)電控制技術(shù)為人才培養(yǎng)模式的重要一環(huán)。而工程控制理論是介于許多學(xué)科之間的一門學(xué)科，反過來又滲透到各個工程領(lǐng)域，如電氣、機(jī)械、液壓、氣動、航空、核反應(yīng)、化工等。這門學(xué)科既是一門廣義的系統(tǒng)動力學(xué)，又是一門合乎唯物辯證法的方法論，對于啟迪與發(fā)展學(xué)生的思維與智力有很大的作用，但由于本課程內(nèi)容難、知識點多、學(xué)時相對較少，學(xué)生難以在短時間內(nèi)完成對理論知識與實踐過程的掌握，為了提高課堂教學(xué)質(zhì)量，改善教學(xué)模式，許多課程組都對機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程教學(xué)模式進(jìn)行改革，如張智煥等[1]采用機(jī)械工程控制基礎(chǔ)虛擬仿真實驗平臺提高機(jī)械工程控制基礎(chǔ)教學(xué)能力，拓展實踐領(lǐng)域，李國棟[2]對機(jī)械工程控制基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)實驗室進(jìn)行了設(shè)計，于曉琳等[3]基于CDIO對機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程進(jìn)行了教學(xué)改革、李蕊等實現(xiàn)了MATLAB在《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》教學(xué)中的應(yīng)用、雷文平等[4]以大量實驗驗證方式改進(jìn)機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程的教學(xué)方法等，本課題組也采用MATLAB仿真技術(shù)，設(shè)計了基于MATLAB/GUI的《控制工程基礎(chǔ)》課程數(shù)字仿真實驗平臺[5]，都獲得了豐富的教改經(jīng)驗及良好的教學(xué)效果。本文以濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》與卓越工程師班的《機(jī)電工程一》課程為依托，借鑒其他機(jī)械工程控制基礎(chǔ)課程改革經(jīng)驗，對《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》和《機(jī)電工程一》課程教學(xué)內(nèi)容、方法和實驗手段進(jìn)行改革探索。

1 課程內(nèi)容優(yōu)化

《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生學(xué)習(xí)運用工程控制論的基本理論和基本方法，分析研究控制工程領(lǐng)域中有關(guān)信息的傳遞與反饋和系統(tǒng)的控制性能，培養(yǎng)學(xué)生判別系統(tǒng)穩(wěn)定性和變更系統(tǒng)參數(shù)以改善系統(tǒng)性能的分析與綜合能力。因此，《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程內(nèi)容以機(jī)械與電氣系統(tǒng)為研究對象，圍繞控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、基本要求及系統(tǒng)校正等方面展開，完成對控制系統(tǒng)認(rèn)識、評價與改造過程。以微分方程、傳遞函數(shù)、方框圖、狀態(tài)方程等建模方法構(gòu)建被控對象的數(shù)學(xué)模型，完成對控制系統(tǒng)認(rèn)識；而控制系統(tǒng)的評價采用超調(diào)量、上升時間、調(diào)整時間、峰值時間、穩(wěn)態(tài)誤差、幅值與相位裕度等時域和頻域分析法，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性進(jìn)行分析；而對控制系統(tǒng)的改造則用滯后校正、超前校正、滯后—超前校正、PID校正等方式，改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。因此，《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程從理論上可分為控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、時域與頻域性能分析、控制系統(tǒng)綜合校正三個部分，將對控制系統(tǒng)的認(rèn)識、評價及改造過程融為一體，從而有利于形成課程的整體脈絡(luò)，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容的選擇。

2 學(xué)情分析

《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程的教學(xué)對象為機(jī)械工程、機(jī)械設(shè)計制造及其自動化、車輛工程專業(yè)大學(xué)三年級學(xué)生，已經(jīng)學(xué)習(xí)了《高等數(shù)學(xué)》《大學(xué)物理》、《電工電子學(xué)》、《材料力學(xué)》、《機(jī)械原理》等部分理論課和專業(yè)課基礎(chǔ)課，具備機(jī)械系統(tǒng)、機(jī)械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識如牛頓定律、胡克定律、基爾霍夫定律等，同時，《高等數(shù)學(xué)》和《工程數(shù)學(xué)》為控制系統(tǒng)建模打下了良好的基礎(chǔ)，具有較強(qiáng)的邏輯思維能力，有利于該課程的開展。但《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程中數(shù)學(xué)公式眾多，計算推導(dǎo)難度大，同時課程內(nèi)容龐大并且偏理論，需要同學(xué)們具有扎實的理論基礎(chǔ)。針對在學(xué)習(xí)《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》中出現(xiàn)的問題，充分利用現(xiàn)有教學(xué)資源，加強(qiáng)物理實驗和仿真環(huán)節(jié)的教學(xué)，提高學(xué)生參與的興趣，鼓勵學(xué)生采用MATLAB編程環(huán)境對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，提高主動創(chuàng)新性。

3 等效法建模教學(xué)

控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模是《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》中難度最大的部分，涉及機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)等相關(guān)元件，需要用到各種物理定律、微積分運算，對學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)和知識儲備提出了更高的要求。為簡化同學(xué)們數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，方便對控制系統(tǒng)建模，將控制系統(tǒng)劃分為機(jī)械系統(tǒng)（包括機(jī)械轉(zhuǎn)動系統(tǒng)）和電氣系統(tǒng)，分別由三個基本元素相互串聯(lián)、并聯(lián)構(gòu)建復(fù)雜的物理系統(tǒng)。一般地，機(jī)械系統(tǒng)由彈簧K、阻尼D和質(zhì)量M三個基本要素組成，根據(jù)牛頓定律，彈簧K的傳遞函數(shù)為k，阻尼的傳遞函數(shù)為Ds，而質(zhì)量的傳遞函數(shù)為Ms2，如果將阻尼D、質(zhì)量M都等效為彈簧系統(tǒng)，則可以將機(jī)械系統(tǒng)的三個基本要素轉(zhuǎn)化為彈簧，都滿足胡克定律，同時，與理論力學(xué)和材料力學(xué)知識相結(jié)合，等效彈簧剛度具有如下的性質(zhì)：串聯(lián)彈性剛度的倒數(shù)等于各彈性剛度的倒數(shù)之和，并聯(lián)的彈簧剛度等于各彈簧剛度之和，可以有效化簡機(jī)械系統(tǒng)建模過程。同樣地，電氣系統(tǒng)也包含電阻、電感和電容三個基本要素組成，根據(jù)基爾霍夫定律，電阻的傳遞函數(shù)為R，電感的傳遞函數(shù)為Ls，而電容的傳遞函數(shù)為1/Cs，因此，也可以將電氣系統(tǒng)的三個基本要素等效為電阻，都滿足歐姆定律的基本性質(zhì)，從而可以有效改善授課效果，提高學(xué)生知識應(yīng)用能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

4 虛擬仿真與案例教學(xué)

由于《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程理論性強(qiáng)，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及相關(guān)專業(yè)知識涉及廣泛，對學(xué)習(xí)方法和教學(xué)方法都提出了較高的要求，因此，在教學(xué)過程中，以實際的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計過程為背景，將機(jī)械、液壓、電氣控制相關(guān)案例與MATLAB/GUI仿真實驗與物理實驗相結(jié)合，按照機(jī)械控制系統(tǒng)基本理論、控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述、測控系統(tǒng)性能分析、測控系統(tǒng)設(shè)計循序漸進(jìn)式組織教學(xué)，同時引入實例化《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程綜合實驗平臺，采用電氣、液壓及模塊化機(jī)器人等實驗平臺形成課程案例，將理論知識與物理器件聯(lián)系起來，以典型環(huán)節(jié)模擬電路及液壓回路的組建方法，學(xué)會使用基本實驗設(shè)備，以仿真實驗分析參數(shù)對系統(tǒng)瞬態(tài)性能及穩(wěn)定性的影響，以模塊化機(jī)器人等實驗驗證系統(tǒng)串聯(lián)校正方法及控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)，通過基于MATLAB/GUI的《控制工程基礎(chǔ)》課程數(shù)字仿真系統(tǒng)[5]實現(xiàn)時域與頻域的分析，實現(xiàn)教學(xué)案例從建模、分析與校正過程，強(qiáng)調(diào)控制系統(tǒng)的基本理論與實際的機(jī)、電、液、氣控制系統(tǒng)的聯(lián)系，提高學(xué)生對控制系統(tǒng)性能評價的整體觀，有利于進(jìn)一步理解《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》理論知識與工程應(yīng)用之間的聯(lián)系，促進(jìn)理論知識的學(xué)習(xí)和理解。

5 結(jié)論

通過對《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程內(nèi)容優(yōu)化、分析學(xué)生的學(xué)習(xí)特點，以等效方法構(gòu)建系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型完成對系統(tǒng)的認(rèn)識，化簡了繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程，與案例教學(xué)與仿真實驗相結(jié)合，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生理論聯(lián)系實際能力的提高。

［1］張智煥,張惠娣.機(jī)械工程控制的虛擬仿真實驗教學(xué)實踐[J].實驗技術(shù)與管理, 2014,07:102-103+111.

［2］李國棟.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)實驗室研究與實驗設(shè)計[D].青島大學(xué),2011.

［3］于曉琳.基于CDIO的“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革探索[J].教育教學(xué)論壇，2016，35:75-77.

［4］雷文平,郝旺身,董辛?xí)F.關(guān)于“機(jī)械工程控制基礎(chǔ)”課程的教學(xué)探索[J].中國電力教育,2010(32):68-69.

［5］陳乃建,王娜,門秀花,趙珅,丁良,王棟梁.基于MATLAB/GUI的《控制工程基礎(chǔ)》課程數(shù)字仿真系統(tǒng)研究[J].科技信息,2013,15:170-171.

［責(zé)任編輯：李書培］