《机械工程控制基础》教学改革

曾海霞

【摘 要】“机械工程控制论”是高校机械工程类本科专业必修的一门重要学科，它阐述了机械工程领域中广义系统的动力学问题。本文分析研究本校《机械工程控制基础》的课程性质与现状，针对现代学科的新形势新变化，采用循序渐进的方式进行教学改革。对理论教学进行合理的缩减，精心设计并引入依托于MATLAB和Simulink的实践性环节，收集评定改革效果，为后续改革打下基础。

【关键词】机械工程；控制；教学改革；实践性环节

中图分类号： G642；TH-4 文献标识码： A 文章编号： 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 课程性质与现状

“机械工程控制论”是各大高校机械工程类本科专业必须掌握的一门重要学科，它是一种方法论，通过将控制的理论和方法运用到机械工程来阐述领域中广义系统的动力学问题[1]。许多院校不约而同的选择杨叔子院士编著的《机械工程控制基础》一书作为授课教材，此教材至今已经历六次修订，在机械工程控制领域多次获奖，与时俱进，广受好评。本校采用该本教材进行《机械工程控制基础》的课程授课已有多年，积累了丰富课程经验的同时，伴随时代的变迁、新思路浪潮的涌现、新生代学生观念的巨大差异，陈旧的教学手段已经无法匹配现代教学。

课程总学时数32，目前均为课堂授课式教学，主要讲授线性定常系统的数学模型、时域分析、频域分析和稳定性，属于经典控制理论的基础核心内容，且越来越多的高校在相关的考研考试中选择本门课程作为专业考试科目。学习本课程前需要储备微积分、复变函数、机械工程内各学科的基础知识，学时少内容多且内容的理论性强。在授课过程中很容易不自觉的陷入强调理论和数学推导，弱化实际应用的状况。然而，作为一所独立的具备个性化教学手段的学院而言，学生们厌烦理论性内容，更喜欢自己动手进行实践。为了应对新形势新变化、促进学习积极性、体现学科的实践性价值，考虑适当删减理论课程内容，逐步引入实践性教学环节。

2 實践性课程环节

本次引入的实践性教学环节，基于严谨的态度，避免未经论证的大刀阔斧型改革，反而产生反作用，拟首先选用较少的4个学时做为试验田，且对此4个学时精心设计，力求达到明显的效果。

2.1 删减理论课学时

考虑本校学生的实际水平，特别是数学能力较弱，因此，剔除高阶系统的时域分析、频率特性的特征量这两部分较难推导和计算的内容；同时，在二阶系统的脉冲响应和阶跃响应推导中，重点分析讨论欠阻尼的情况，其他阻尼条件由于后续很少提到，因此在教学中可一语带过。由此，可空余出4个学时，将其作为初步引入实践性教学环节的学时使用。后续若效果较好，则可继续进行更深度的实践性改革。

2.2 增加实践环节

首先，为了及时的提高学生的学习兴趣，将该实践性环节设置在课程中间阶段，较合适的节点为第3章"系统的时间响应分析"之后，内容上选择机械工程领域内的时域分析相关典型案例，且通过该实验能将系统时域分析的主要知识点加以全面的掌握和使用。

其次，对于用于控制论教学的实验工具来说，试验箱需要大量的资金、独立的实验室、长时的前期准备，这对于本门课程的改革探索来说，前期消耗过大且耗时太长，并不适宜。而另一个更好的选择则是任何机房都可以安装使用的软件平台MATLAB，MATLAB具备强大的控制系统工具箱，对控制系统的数学建模、分析、设计、校正等提供了全面完善的解决方案[2]。本文采用MATLAB7.0作为实践性教学授课的主要工具，期望达到以下3点目的：

（1）带领学生认识MATLAB，鼓励其今后自己安装，自学并掌握该工具；

（2）通过典型实例的讲解和演练使学生初步了解系统的建模和分析；

（3）通过本教学环节巩固课堂所学的知识点；

（4）通过实践改变学生对本学科只有理论的偏见，提高其学习的兴趣，从而达到辅助课堂教学，提升教学效果。

2.3 基于MATLAB的实践性环节设计

环节设计选择某随动系统，其传递函数方框图如图1。

（1）熟悉MATLAB的系统环境，学会创建.m文件；

（2）熟悉MATLAB中的Simulink，找出常用模块：脉冲信号、阶跃信号、斜坡信号、比例、积分、微分、惯性、振荡、反馈、比较、输出示波器等；

（3）采用Simulink搭建图1所对应的数学模型，令K=1、T1=0.2、T2=0.5，分别绘制出单位脉冲、单位阶跃响应曲线，比较并分析；

（4）改变K的值，使之分别=0.5、1、2、5，绘制出四组单位阶跃响应；

（5）通过.m文件分别调用上述四组模型，并编程求出各组的性能指标（上升时间、峰值时间、超调量、调整时间）；

（6）用表格列出在不同K值下由系统求出的性能指标，并与自己的计算结果进行比较，确定结果的一致性；

（7）撰写本次课程的报告，并附上自己的心得体会。

此环节设计可根据实际情况略作调整，但总体应考虑知识点的全面覆盖，将实践真正服务于理论。

3 配套机制及成果采集

为加强实践性环节的效果，将原有的考试、课堂、作业评估体系修改为考试、实践、课堂、作业四位一体，降低10%的考试占比。收集并评估学生在实践性环节之后的4、5章学习中的课堂表现和作业效果，结合最终考试结果，总体分析教学改革的有效性。

4 结束语

本文以本校机电专业的《机械工程控制基础》课程为背景，分析研究课程现状，提出实践性教学改革，深入分析并设计具体的改革措施。在得到较好的效果反馈后，可进一步继续探索，研究加入更多的实践性环节。

【参考文献】

[1]杨叔子.机械工程控制基础[M].第七版.武汉：华中科技大学出版社，2016（10-15）.

[2]周先辉.面向工程能力培养的《机械工程控制基础》课程教学方法探索[J].高教论坛.2010（01）.