曾海霞

【摘 要】“機械工程控制論”是高校機械工程類本科專業(yè)必修的一門重要學科，它闡述了機械工程領域中廣義系統(tǒng)的動力學問題。本文分析研究本?！稒C械工程控制基礎》的課程性質(zhì)與現(xiàn)狀，針對現(xiàn)代學科的新形勢新變化，采用循序漸進的方式進行教學改革。對理論教學進行合理的縮減，精心設計并引入依托于MATLAB和Simulink的實踐性環(huán)節(jié)，收集評定改革效果，為后續(xù)改革打下基礎。

【關鍵詞】機械工程；控制；教學改革；實踐性環(huán)節(jié)

中圖分類號： G642；TH-4 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）27-0166-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.074

【Abstract】“Mechanical engineering control theory” is an important subject required for undergraduate majors in mechanical engineering in colleges and universities，it describes the dynamics of generalized systems in the field of mechanical engineering.This paper analyzes and studies the nature and current situation of the course of "Mechanical engineering control foundation"，aim at the new situation of modern subject， adopt a gradual approach to teaching reform.Carry out a reasonable reduction of theory teaching，carefully designed and introduced practical links based on MATLAB and Simulink， collecting and evaluating the effect of reform，laying the foundations for subsequent reforms.

【Key words】Mechanical engineering；Control；Teaching reform；Practical links

1 課程性質(zhì)與現(xiàn)狀

“機械工程控制論”是各大高校機械工程類本科專業(yè)必須掌握的一門重要學科，它是一種方法論，通過將控制的理論和方法運用到機械工程來闡述領域中廣義系統(tǒng)的動力學問題[1]。許多院校不約而同的選擇楊叔子院士編著的《機械工程控制基礎》一書作為授課教材，此教材至今已經(jīng)歷六次修訂，在機械工程控制領域多次獲獎，與時俱進，廣受好評。本校采用該本教材進行《機械工程控制基礎》的課程授課已有多年，積累了豐富課程經(jīng)驗的同時，伴隨時代的變遷、新思路浪潮的涌現(xiàn)、新生代學生觀念的巨大差異，陳舊的教學手段已經(jīng)無法匹配現(xiàn)代教學。

課程總學時數(shù)32，目前均為課堂授課式教學，主要講授線性定常系統(tǒng)的數(shù)學模型、時域分析、頻域分析和穩(wěn)定性，屬于經(jīng)典控制理論的基礎核心內(nèi)容，且越來越多的高校在相關的考研考試中選擇本門課程作為專業(yè)考試科目。學習本課程前需要儲備微積分、復變函數(shù)、機械工程內(nèi)各學科的基礎知識，學時少內(nèi)容多且內(nèi)容的理論性強。在授課過程中很容易不自覺的陷入強調(diào)理論和數(shù)學推導，弱化實際應用的狀況。然而，作為一所獨立的具備個性化教學手段的學院而言，學生們厭煩理論性內(nèi)容，更喜歡自己動手進行實踐。為了應對新形勢新變化、促進學習積極性、體現(xiàn)學科的實踐性價值，考慮適當刪減理論課程內(nèi)容，逐步引入實踐性教學環(huán)節(jié)。

2 實踐性課程環(huán)節(jié)

本次引入的實踐性教學環(huán)節(jié)，基于嚴謹?shù)膽B(tài)度，避免未經(jīng)論證的大刀闊斧型改革，反而產(chǎn)生反作用，擬首先選用較少的4個學時做為試驗田，且對此4個學時精心設計，力求達到明顯的效果。

2.1 刪減理論課學時

考慮本校學生的實際水平，特別是數(shù)學能力較弱，因此，剔除高階系統(tǒng)的時域分析、頻率特性的特征量這兩部分較難推導和計算的內(nèi)容；同時，在二階系統(tǒng)的脈沖響應和階躍響應推導中，重點分析討論欠阻尼的情況，其他阻尼條件由于后續(xù)很少提到，因此在教學中可一語帶過。由此，可空余出4個學時，將其作為初步引入實踐性教學環(huán)節(jié)的學時使用。后續(xù)若效果較好，則可繼續(xù)進行更深度的實踐性改革。

2.2 增加實踐環(huán)節(jié)

首先，為了及時的提高學生的學習興趣，將該實踐性環(huán)節(jié)設置在課程中間階段，較合適的節(jié)點為第3章"系統(tǒng)的時間響應分析"之后，內(nèi)容上選擇機械工程領域內(nèi)的時域分析相關典型案例，且通過該實驗能將系統(tǒng)時域分析的主要知識點加以全面的掌握和使用。

其次，對于用于控制論教學的實驗工具來說，試驗箱需要大量的資金、獨立的實驗室、長時的前期準備，這對于本門課程的改革探索來說，前期消耗過大且耗時太長，并不適宜。而另一個更好的選擇則是任何機房都可以安裝使用的軟件平臺MATLAB，MATLAB具備強大的控制系統(tǒng)工具箱，對控制系統(tǒng)的數(shù)學建模、分析、設計、校正等提供了全面完善的解決方案[2]。本文采用MATLAB7.0作為實踐性教學授課的主要工具，期望達到以下3點目的：

（1）帶領學生認識MATLAB，鼓勵其今后自己安裝，自學并掌握該工具；

（2）通過典型實例的講解和演練使學生初步了解系統(tǒng)的建模和分析；

（3）通過本教學環(huán)節(jié)鞏固課堂所學的知識點；

（4）通過實踐改變學生對本學科只有理論的偏見，提高其學習的興趣，從而達到輔助課堂教學，提升教學效果。

2.3 基于MATLAB的實踐性環(huán)節(jié)設計

環(huán)節(jié)設計選擇某隨動系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)方框圖如圖1。

（1）熟悉MATLAB的系統(tǒng)環(huán)境，學會創(chuàng)建.m文件；

（2）熟悉MATLAB中的Simulink，找出常用模塊：脈沖信號、階躍信號、斜坡信號、比例、積分、微分、慣性、振蕩、反饋、比較、輸出示波器等；

（3）采用Simulink搭建圖1所對應的數(shù)學模型，令K=1、T1=0.2、T2=0.5，分別繪制出單位脈沖、單位階躍響應曲線，比較并分析；

（4）改變K的值，使之分別=0.5、1、2、5，繪制出四組單位階躍響應；

（5）通過.m文件分別調(diào)用上述四組模型，并編程求出各組的性能指標（上升時間、峰值時間、超調(diào)量、調(diào)整時間）；

（6）用表格列出在不同K值下由系統(tǒng)求出的性能指標，并與自己的計算結果進行比較，確定結果的一致性；

（7）撰寫本次課程的報告，并附上自己的心得體會。

此環(huán)節(jié)設計可根據(jù)實際情況略作調(diào)整，但總體應考慮知識點的全面覆蓋，將實踐真正服務于理論。

3 配套機制及成果采集

為加強實踐性環(huán)節(jié)的效果，將原有的考試、課堂、作業(yè)評估體系修改為考試、實踐、課堂、作業(yè)四位一體，降低10%的考試占比。收集并評估學生在實踐性環(huán)節(jié)之后的4、5章學習中的課堂表現(xiàn)和作業(yè)效果，結合最終考試結果，總體分析教學改革的有效性。

4 結束語

本文以本校機電專業(yè)的《機械工程控制基礎》課程為背景，分析研究課程現(xiàn)狀，提出實踐性教學改革，深入分析并設計具體的改革措施。在得到較好的效果反饋后，可進一步繼續(xù)探索，研究加入更多的實踐性環(huán)節(jié)。

【參考文獻】

[1]楊叔子.機械工程控制基礎[M].第七版.武漢：華中科技大學出版社，2016（10-15）.

[2]周先輝.面向工程能力培養(yǎng)的《機械工程控制基礎》課程教學方法探索[J].高教論壇.2010（01）.