高瑜 余雷 季清

[摘? ? ? ? ? ?要]? 培養(yǎng)本科生解決復(fù)雜工程問題的能力是工程教育專業(yè)認(rèn)證的重點要求，“自動控制原理”與“現(xiàn)代控制理論”作為自動化專業(yè)的兩門核心課程，依靠傳統(tǒng)的教學(xué)方式已無法支持“以學(xué)生為中心”的全新教學(xué)理念。探討在專業(yè)認(rèn)證的背景下，如何將實際工程問題融入控制理論課程教學(xué)過程中，加強工程教育與工業(yè)界的聯(lián)系，達到提高畢業(yè)學(xué)生國際競爭力的目的。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 復(fù)雜工程問題;控制理論;課程改革

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2020）01-0032-02

一、引言

自動化技術(shù)是推動我國工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要力量，高等教育體系中自動化專業(yè)對人才的培養(yǎng)在國家科技和經(jīng)濟發(fā)展中起著舉足輕重的作用。自2016年我國加入《華盛頓協(xié)議》以來，國內(nèi)許多院校參照國際工程聯(lián)盟規(guī)定的各項認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)進行課程體系建設(shè)和教學(xué)模式改革，目的是使工科教育水平與國際化接軌。在這樣的背景下，傳統(tǒng)控制理論課程教學(xué)模式存在的問題和缺陷逐漸暴露，難以滿足專業(yè)認(rèn)證中對本科生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)要求，無法使畢業(yè)生在日益激烈的就業(yè)形勢中展現(xiàn)優(yōu)勢。本文首先對經(jīng)典控制理論部分的教學(xué)內(nèi)容進行重新整理與規(guī)劃，然后優(yōu)化完善了實驗教學(xué)過程，最后提出一種用于工程實踐教學(xué)的工業(yè)化控制平臺。

二、復(fù)雜工程問題描述

工程教育認(rèn)證工作指南中明確指出，對本科生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)是考核的重點之一。蘇州大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)通過全面的調(diào)查與研究，以“自動化產(chǎn)線”為載體，“系統(tǒng)設(shè)計、集成和控制問題”作為具體內(nèi)容，按照成果導(dǎo)向教育理念構(gòu)建課程體系，制定教學(xué)目標(biāo)，規(guī)范教學(xué)過程，總結(jié)教學(xué)效果，運用深入的工程原理突出“綜合、實踐與創(chuàng)新”的特點。

該“自動化產(chǎn)線”綜合多種技術(shù)知識，如氣動控制、機械傳動與機械連接、測量與傳感，PLC控制和組網(wǎng)，步進電機位置控制、伺服控制和變頻器等，以“信息和控制”為核心構(gòu)建物理信息系統(tǒng)。通過立體倉庫、機械手臂、自動引導(dǎo)小車模擬智能電表的裝配、檢測、運輸過程，整個生產(chǎn)線由上料單元、檢測單元、分揀單元和下料單元4個模塊組成，各工作站均設(shè)置一臺PLC承擔(dān)其控制任務(wù)，各PLC之間通過RS485串行通信實現(xiàn)互聯(lián)，構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。

三、改革方案設(shè)計

（一）調(diào)整教學(xué)內(nèi)容

支撐復(fù)雜工程問題的課程體系由11門基礎(chǔ)理論課構(gòu)成，其中“現(xiàn)代控制理論”和“自動控制原理”是整個體系中的重要環(huán)節(jié)。多數(shù)高校的“自動控制原理”課程教學(xué)內(nèi)容以經(jīng)典控制理論為主，包括復(fù)數(shù)域模型、系統(tǒng)性能指標(biāo)、根軌跡、頻域分析、系統(tǒng)校正，雖然涉及許多控制領(lǐng)域的早期成果，但部分內(nèi)容在很大程度上僅具備理論價值，在現(xiàn)今的實際控制系統(tǒng)中已極少使用。而“現(xiàn)代控制理論”課程內(nèi)容涵蓋了智能控制、優(yōu)化控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識，在工業(yè)生產(chǎn)過程中多變量復(fù)雜控制問題日益增多的今天，基于狀態(tài)空間的建模與控制方法已逐漸取代經(jīng)典控制理論中的復(fù)數(shù)域、頻域分析方法。因此，本文重點對“自動控制原理”課程中涉及工業(yè)應(yīng)用的教學(xué)內(nèi)容作了整理，并對授課課時做了重新的分配，見表1。

經(jīng)過以上調(diào)整，課堂授課保持72學(xué)時不變，其中“線性系統(tǒng)的根軌跡法”從12學(xué)時縮減至4學(xué)時，理由是該部分知識在工業(yè)場景中已失去應(yīng)用價值。除了介紹根軌跡的基本概念與意義以外，將不再詳細(xì)講授根軌跡的手工繪制法則，取而代之的是運用MATLAB軟件進行仿真繪圖，利用直觀方法加深學(xué)生對根軌跡圖包含理論意義的理解。

（二）完善實驗教學(xué)

工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)指出一切教育活動需以“學(xué)生為中心”開展，這就要求對傳統(tǒng)控制理論實驗教學(xué)進行優(yōu)化和調(diào)整，具體實驗教學(xué)計劃如表2所示。

實驗內(nèi)容分為設(shè)計性（操作）實驗與驗證性（仿真）實驗兩種類型，學(xué)生在18個學(xué)時內(nèi)需要完成6個實驗課題。其中，設(shè)計性實驗儀器為THKKL-6型控制技術(shù)實驗箱，目的在于鍛煉學(xué)生對電路控制系統(tǒng)的構(gòu)建與操作能力，而驗證性實驗將教科書中部分較難理解的理論化知識運用仿真軟件直觀展示，有助于加深學(xué)生對概念的理解。

（三）建立工程實踐平臺

選擇雙軸進給驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)建工程實踐平臺（下圖），該設(shè)備由計算機數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令信號，經(jīng)伺服驅(qū)動器控制電機轉(zhuǎn)動，通過滾珠絲杠將伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為工作臺的線性運動，實現(xiàn)工作臺在X-Y軸的快速進給移動。同時由直線光柵尺監(jiān)測工作臺實際位移進行反饋，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制目標(biāo)與復(fù)雜工程問題中的立體倉庫大致相同。

基于該實踐平臺，學(xué)生既可以運用經(jīng)典控制理論中的知識建立傳遞函數(shù)模型與控制系統(tǒng)框圖，又可以運用現(xiàn)代控制理論建立狀態(tài)空間模型，很大程度上培養(yǎng)了學(xué)生對實際系統(tǒng)的建模能力。同時，學(xué)生還可以完成系統(tǒng)分析、控制方法設(shè)計、傳感器安裝調(diào)試、軟件編程等進一步的實驗活動，有助于提高學(xué)生獨立思考與自主創(chuàng)新的能力。

四、結(jié)束語

對學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)是一個循序漸進、綜合集成的過程，更是動態(tài)形成和持續(xù)改進的過程，結(jié)合控制理論課程自身特點，對教學(xué)大綱的內(nèi)容、學(xué)時進行重新分配，改進了實驗環(huán)節(jié)，并構(gòu)建工程實踐平臺，增強了控制理論課程與實際工業(yè)系統(tǒng)的聯(lián)系，對提高自動化專業(yè)畢業(yè)生的綜合素質(zhì)和競爭力具有現(xiàn)實意義。

參考文獻：

[1]林健.如何理解和解決復(fù)雜工程問題：基于“華盛頓協(xié)議”的界定和要求[J].高等工程教育研究，2016（5）：17-38.

[2]林健.工程教育認(rèn)證與工程教育改革和發(fā)展[J].高等工程教育研究，2015（2）：10-19.

[3]劉寶，任濤，李貞剛.面向工程教育專業(yè)認(rèn)證的自動化國家特色專業(yè)改革與建設(shè)[J].高等工程教育研究，2016（6）：48-52.

[4]夏靜萍，王瑛.工程專業(yè)認(rèn)證背景下的自動控制原理實驗教學(xué)改革與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2016（2）：159-161.

[5]韓婷，李紅斌，文勁宇，等.培養(yǎng)復(fù)雜工程問題解決能力的一體化課程體系：華中科技大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)改革[J].高等工程教育研究，2018（2）：52-59.

編輯 張 慧