丁肇紅 錢平

[摘 要] 培養(yǎng)工科學生具有解決復雜工程問題的能力是工程教育認證畢業(yè)要求的核心問題。依據課程實施校企合作和工程認證背景下，結合控制理論教學特點，在教學實施中給學生傳授控制理論知識的同時，注重培養(yǎng)本科生面對復雜工程的解決能力，提高學生的控制工程實踐創(chuàng)新性。

[關鍵詞] 復雜工程問題;控制理論;工程教育認證

[基金項目] 上海應用技術大學課程建設項目（1021zk191402004）

[作者簡介] 丁肇紅（1966—），女，山東日照人，碩士，教授，研究方向為控制理論與控制工程、智能控制。

[中圖分類號] G642? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）37-0188-02? ? [收稿日期] 2019-11-10

一、引言

自2013年中國加入華盛頓協(xié)議后，高等工程教育已開始走向國際化，中國工程教育專業(yè)認證正式被國際同行認可。工程教育認證標準由通用標準和各專業(yè)補充標準構成，其中關于畢業(yè)生應達到的12項畢業(yè)要求的通用標準中，有6項涉及“復雜工程問題”。在課程教學過程中如何落實“復雜工程問題”的分析與解決，這對畢業(yè)要求的達成將起到至關重要的作用。

在自動化和電氣工程及其自動化專業(yè)工程教育認證的背景下，為了進一步培養(yǎng)和提高學生分析問題、解決實際工程問題的能力，促進工程教育認證中關于復雜工程問題畢業(yè)要求的達成，開展控制理論課程群工程化教學改革，極具必要性。

二、復雜工程問題的理解與培養(yǎng)目標

（一）復雜工程問題的理解

工程教育認證標準中提到的“復雜工程問題”必須具備下述特征：①必須運用深入的工程原理，經過分析才可能得到解決;②涉及多方面的技術、工程和其他因素，并可能相互有一定沖突;③需要通過建立合適的抽象模型才能解決，在建模過程中需要體現(xiàn)出創(chuàng)造性;④不是僅靠常用方法就可以完全解決的;⑤問題中涉及的因素可能沒有完全包含在專業(yè)工程實踐的標準和規(guī)范中;⑥問題相關各方利益不完全一致;⑦具有較高的綜合性，包含多個相互關聯(lián)的子問題。

（二）培養(yǎng)目標

對本科生畢業(yè)認證的一個關鍵要求是畢業(yè)生解決復雜問題的綜合能力和高級思維，更多的是能力和思維的訓練。首先，在工程知識方面，使學生能夠將數學、自然科學、工程基礎和專業(yè)知識用于解決控制工程領域復雜工程問題;能夠針對一個控制類專業(yè)的復雜問題建立合適的數學模型，并利用恰當的限制條件求解;能夠將工程基礎和專業(yè)知識用于控制類專業(yè)復雜問題的分析、設計和優(yōu)化。其次，培養(yǎng)學生的問題分析能力，能夠應用數學、自然科學、工程科學的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析控制工程領域的復雜工程問題，以獲得有效結論。此外，訓練學生的工程研究技能，使他們能夠基于科學原理并采用科學方法對控制領域復雜工程問題進行研究，包括設計性實驗、分析數據、并通過科學的方法進行信息綜合得到合理有效的結論。

三、復雜工程問題能力培養(yǎng)教學方法

（一）構建與整合教學內容

依照本科生的培養(yǎng)方案，根據校企合作的特點，為了加強我校應用性本科生“工程實踐性”的培養(yǎng)，需要依據校企合作特點和工程認證背景，構建課程教學的知識架構，并完成工程仿真實驗和實時控制實驗內容的整合。

按照課程的教學順序，自控原理課程的知識架構包括：自動控制系統(tǒng)的基本概念介紹與描述，控制系統(tǒng)數學模型的建立，控制系統(tǒng)的時域分析方法，控制系統(tǒng)的根軌跡分析方法，控制系統(tǒng)的時域分析方法和采樣控制系統(tǒng)的分析?，F(xiàn)代控制理論課程主要包含狀態(tài)空間建立、運動學分析、能控能觀性分析、穩(wěn)定性分析和線性系統(tǒng)綜合這五個模塊。而復雜工程問題作為一類工程問題，從根本上是以應用為目的的問題，解決復雜工程問題所需的知識、素質，以及所采用的分析與研究方法，都需要在社會應用、工程應用中形成。企業(yè)教師首先帶領學生進入實驗室，實物演示磁懸浮系統(tǒng)，球桿系統(tǒng)和移動機器人等控制系統(tǒng)，學生初步認識這些控制系統(tǒng)的控制目標和任務，然后提出如何進行這些控制系統(tǒng)的工程設計呢？學校理論教師根據工程提出的問題帶領學生進行課堂教學內容的整合。本節(jié)以磁懸浮系統(tǒng)建模與控制為例，將上述自控和現(xiàn)控課程的教學內容與復雜工程解決能力培養(yǎng)方案相結合，將該工程案例貫穿于知識模塊中，撰寫工程實踐講義。

1.建立復雜工程問題模型。磁懸浮控制系統(tǒng)是一個復雜的工程控制系統(tǒng)，它的運動涉及電與磁的領域，不同于一般的控制對象，系統(tǒng)形式和結構各不相同，但究其本質都共同具有復雜性、不確定性、非線性和開環(huán)不穩(wěn)定的特性。針對該復雜工程實例進行建模涉及自控和現(xiàn)代控制課程中的多個工程知識。該磁懸浮系統(tǒng)的數學模型抽象是以磁懸浮系統(tǒng)的動力學關系、系統(tǒng)的電磁力關系、功率放大器模型及電磁鐵中控制電壓與和電流的模型關聯(lián)方程為基礎建立，磁懸浮系統(tǒng)是一個復雜的非線性系統(tǒng)，案例設計中運用泰勒級數展開，進行非線性系統(tǒng)的線性化處理，將其轉化為標準的傳遞函數模型和狀態(tài)空間模型。

2.復雜控制工程問題分析。復雜工程問題能力的培養(yǎng)目標要求學生能夠應用數學、自然科學、工程科學的基本原理，識別、表達、并通過自動控制理論知識分析解決的復雜工程問題——磁懸浮系統(tǒng)的間隙控制，以獲得穩(wěn)準快的控制效果。然而在實際應用中需考慮多方面的技術和工程因素，例如系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的復雜性是相互沖突的因素，控制的精度與速度也是相互制約的因素。另外，通過深入了解課題的工程應用背景，能正確理解磁懸浮系統(tǒng)所涉及的經濟、環(huán)境、法律、安全等制約因素，若系統(tǒng)不完善將產生的負面影響、對社會可持續(xù)發(fā)展的影響等等。對硬件結構的設計和主要設備的選型，需要掌握工程管理的預算情況和經濟決策知識，最終將體現(xiàn)在規(guī)劃、設計和實施中。

3.復雜控制工程的控制方案設計與研究。磁懸浮是一個典型不穩(wěn)定的系統(tǒng)，其模型的正確性與合理性有著至關重要的作用，控制算法的選擇以及參數的選擇是否合理，是否能夠實現(xiàn)實時的控制這些都是磁懸浮控制的關鍵問題。因此，建立完模型之后還需要對其進行合理的控制以便達到穩(wěn)定懸浮的效果，采用有有效的控制方案，例如工程上應用最為廣泛的PID控制和頻域法控制，在matlab中進行仿真以達到穩(wěn)準快的控制效果，最終在磁懸浮教學系統(tǒng)上實現(xiàn)懸浮小球的實時控制。其中，復雜工程能力培養(yǎng)的關鍵在于能夠結合控制原理，并采用控制綜合方法對該工程領域復雜工程問題進行研究，包括設計性實驗、分析數據、并通過科學的方法進行信息綜合得到合理有效的結論。

（二）教學方式改革

由于自動控制原理和現(xiàn)代控制理論性強，結論定理多，針對此現(xiàn)象，簡化理論，重工程前提下，整合內容。在課程教學實施中，教學方法上注重多種方式的結合，給出的一些創(chuàng)新舉措及案例分析。采用項目型教學方法，在教學過程中把理論與實踐有機地結合起來，使學生完成指定項目的分析、實施和總結工作。比如，先提出一個實際磁懸浮控制系統(tǒng)的工程項目實例，任課教師從企業(yè)教師處獲取實際控制系統(tǒng)有關圖紙，設計說明書等，以實際控制系統(tǒng)應用案例為主線，貫穿課程知識架構里的所有內容。采用案例型和互動型教學相結合的方法。

四、結論

本文結合控制理論教學特點，針對現(xiàn)代控制理論的校企合作特點和工程認證背景，提出了適合我院的控制理論課程的理論教學和實踐教學方案，對自動控制原理和現(xiàn)代控制理論提出了一系列可行可操作的教學內容和教學方式改革舉措。實踐證明，在控制理論課程中，合理地安排理論教學，將課程實驗與企業(yè)的工程實例相結合的教學方案，取得了較好的效果，對培養(yǎng)本科生的復雜工程解決能力和提高學生的實踐創(chuàng)新性有一定的指導意義。

參考文獻

[1]林健.如何理解和解決復雜工程問題——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）：17-26.

[2]徐辰華.CDIO模式下《現(xiàn)代控制理論》課程輻射教學方法探索[J].教育教學論壇，2016（3）：109-110.