机械工程控制工程课程教学探讨范文

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一、课程的改革与探索

针对“控制工程基础”课程理论性强、概念和基本理论抽象的特点和学生工程数学知识欠缺、不同专业方向学生的差异以及课程内容多学时少等问题，从以下几方面入手：

1.教学内容及教材改进

总结了多年的教学实践和教学反馈，调整了内容，编写了机械工程类适用的《机械控制工程基础》教材，主要内容有：

第1章绪论，明确学习目标，通过工程实例，叙述了控制系统的基本概念及控制工程的发展概况，使学生对该课程有全面的了解。

第2章是拉普拉斯变换，这是整个课程的数学工具，是学习“控制工程基础”课程的基础。但在原来的教材中，这部分作为附录，而不进行课堂教学，学生课下自学，结果是学生不重视。又由于工程数学这部分学生没有学过，基本的变换性质不清楚，影响了对整个课程的学习。因此，教师安排2学时的授课时间，通过实例学习拉普拉斯变换，为学生学习后边各章节打下良好基础。

第3章是物理系统的数学模型及传递函数，本课程以机电自动控制系统作为主要研究对象。首先要建立系统的数学模型，以便从理论上对控制系统进行定性分析和定量计算，这是控制工程的基本方法。传递函数是在拉氏变换基础上建立的一种常用的数学模型，是极其重要的基本概念，是系统分析、研究与综合的有利工具，更是经典控制理论的基础。一个实际的系统，建立了数学模型，就可以用适当的方法对其性能进行全面地分析和计算。对于线性定常系统，常用的工程方法有时域分析法、根轨迹法和频率分析法。

第4章是控制系统的时域分析。根据系统的微分方程，以拉普拉斯变换为数学工具，直接解出系统的时间响应，然后根据响应的表达式及其描述曲线来分析系统的性能，如稳定性、快速性、稳态精度等。这样，学生通过对系统进行时域分析，可以直观简便地了解系统响应的全过程，掌握系统时间响应的全部信息。但是时域分析法在实际应用时常会遇到一些问题，比如复杂系统中存在难以用数学模型描述的元部件，而频域分析法能解决这些问题。

第5章为控制系统的频域分析。这种方法以正弦输入信号的频率为变量，在频率域内通过研究系统的频率特性及其图形来分析系统性能。它是一种经典工程实用方法，可方便地用于控制工程中的系统分析与设计，频域分析法是经典控制理论的核心，也是教学的重中之重。

第6章是系统的稳定性。稳定是控制系统正常工作的首要条件，也是控制系统的重要性能，因此，必须要分析系统的稳定性，并提出确保系统稳定的条件。这章主要研究线性定常系统的稳定性判据及其应用，以及提高系统稳定性的方法。这一章是前几章内容的综合应用，要求学生能够把前边的知识点贯穿起来，提高综合分析问题解决问题的能力。

第7章是根轨迹法。这种方法不直接求解特征方程，而是在平面上由开环零极点确定闭环极点，将系统的某一参数与闭环传递函数特征根的关系描述在一张图上。由于可以利用计算机进行作图，简单实用，所以广泛地应用在控制工程中，并成为经典控制理论的基本分析方法之一。掌握了前面控制系统几种基本方法后，就可以对控制系统进行定性分析和定量计算。

第8章是控制系统的校正，通过这一章，学生能学会如何根据系统预先给定的性能指标，去设计一个能满足性能要求的控制系统。鉴于这门课程的实际学时数，第7章根轨迹法和第8章控制系统的校正只作简要介绍，要求学生对这两章有个初步了解，对“控制工程基础”这门课程具有系统认识。其他章节都分配相应学时重点深入地教学，借助多媒体现代教学手段来解决内容多学时少的矛盾，利用课堂教学和课下辅导的方式提高教学效果，解决“课程难学”的问题。

2.教学思路的更新

从“控制工程基础”课程体系和内容的系统性出发，从整体上把握课程的教学脉络，使学生对这门课程形成整体的构架，对知识融会贯通。

（1）突出基本概念和基本理论。在“控制工程基础”这门课程中，每一章都提出了一些基本概念，这些基本概念之间又相互关联，串联起来就形成了本课程的知识要点，进而形成系统理论，必然是学习理解的重点。对基本概念和基本理论的思考和掌握，有助于学生养成科学的思维习惯，提高其分析问题和解决问题能力。在讲授过程中除让学生对课程中概念本身的内涵与外延认真理解外，还要让其注意体会每个概念在整个课程理论体系中的作用。因此，针对学生在学习基本概念和基本理论过程中出现的问题，分析原因并提出相应的解决办法，以实现本课程的教学目的。

（2）建立不同分析方法之间的相互联系。对于一个控制系统，稳定性、准确性、快速性是基本要求。其中稳定性是首要条件，它是系统性能的重要指标，贯穿了时域分析和频域分析方法的始终，也是系统综合设计和校正要满足的性能要求。在课程的教学中，以稳定性、准确性、快速性为主线，建立各种系统分析与设计方法之间的联系，有助于对课程内容的理解和掌握，理清各章节之间的逻辑关系。先通过具体实例，例如以机床运动控制系统为例，来说明对于一个控制系统的分析和设计。首先，必须掌握自动控制系统的基本概念，建立系统的数学模型，才能进行理论分析。而最基本的数学模型是微分方程，但高次微分方程求解较为复杂，需将微分方程转化为代数方程，这就需要进行拉普拉斯变换，大大简化了求解过程，进而得到系统的传递函数。然后，在传递函数基础上，对系统进行分析。常用的分析方法有：时域分析法、频域分析法、根轨迹分析法以及相应的性能指标。这样，一方面，有了系统的性能指标，就能够对系统的稳定性和准确性进行分析判断；另一方面，也可以根据给定要求的性能指标，得到理想的控制系统，从而对原有的控制系统进行综合和校正。这样抓住了稳、准、快这条主线，就理清了各章节之间的逻辑关系，该课程的内容就能够顺利地衔接起来。例如对于稳定性的问题，就可以从多个方面、多个角度来分析判断，可以求解微分方程，可以求闭环特征根，可以用根轨迹法，可以用劳斯判据，可以用奈奎斯特判据等方法，这样自然对这门课程的系统性有了明确认识。

3.教学手段的改进

“控制工程基础”课程是机械工程及其自动化大专业各专业方向都必修的专业基础课，具有较强的理论性和实践性，涉及的知识面宽，包含的信息量大，内容又比较抽象。由于课程内容多课时少，另外，机械类学生工程数学知识以及相关学科的知识欠缺，必须改革教学手段，充分利用现代化教学工具，利用计算机仿真来辅助教学，才能实现高效的课堂教学，使学生收获更多知识。针对不同的专业方向，如，制造和设计、机电和物流、输电工程专业方向，采用分班教学，联系本专业方向的实际应用，将教学内容进行调整。同时，采用计算机多媒体辅助教学与传统的教学模式相结合，在有限的课时内增加了信息量，使枯燥、抽象的理论变得形象和具体。教学中还引入了软件Matlab/simulink，开阔学生的视野。例如时域响应曲线、频域的幅相曲线及对数幅相曲线的绘制，为了提高课堂效果，达到师生互动，教师首先在黑板上画出大致曲线，帮助学生理解，然后利用多媒体，用编好的程序或建立的仿真模型，在屏幕上精确地绘出相应的曲线，并改变系统的参数，再次绘图显示，让学生进行分析比较，得出结论。这样提高了学生的学习兴趣，激发了他们的求知欲，大大提高了教学效果。

4.加强实践环节

注重实践教学环节，加强控制理论的工程应用。“控制工程基础”课程的理论性强，在理论讲述中，学生未免感觉“空、虚”，因此在教学过程中，要注重实际，结合具体生活和工业生产实例，使学生的学习目标明确，知道控制系统在生产生活中的应用无处不在。这样学生不仅提高了学习兴趣，也更深刻地理解了理论知识。同样，该课程的应用性也很强，必须利用实践环节将理论应用到实践中。课程设置了时域和频域的相应实验，一方面，利用自动控制实验箱，让学生搭建典型环节和典型系统，输入不同的典型信号，通过示波器观察系统的响应曲线。另一方面，将实验曲线和Matlab/simulink软件仿真出来的理想波形进行对比，分析实验结果，得出结论。在课程教学的同时，注重加强对学生综合实践能力的培养，利用开放的实验室，充分发挥学生的主动性，让学生设计完成自动控制系统的相关课题，还结合Matlab/simulink软件进行控制系统的仿真，使学生感到课程的“真、实”，提高了他们综合分析问题解决问题的能力，做到学有所用，为他们的专业学习以及将来工作打下坚实的基础。

二、结束语

随着科学的飞速发展，学科之间日益相互渗透和交叉，非电类学生的自动控制基础知识和基本技能的训练更需要加强，“控制工程基础”课程地位更显得重要，因此必须及时总结改进，不断更新教育观念，提高教学质量，才能更好地促进学科发展，培养具有创新能力的高素质人才。

作者：张红莲单位：河北保定人华北电力大学机械工程系