单位文秘网 2021-07-05 08:25:29 点击: 次
摘 要:结合徐州工程学院大应用观人才培养模式和大工程观学科专业建设的宗旨,以机械类专业《控制工程基础》课程实践教学改革为例,探讨以机电系统实例和MATLAB软件为导向的教学内容体系,着力培养学生综合运用控制理论知识的能力和工程实践能力,使学生形成工程控制意识和大系统观念,为毕业从事机械系统和机电系统产品设计与开发打好基础。
关键词:大应用观; 大工程观; MATLAB;控制工程; 机电系统
DOIDOI:10.11907/rjdk.1511334
中图分类号:G434
文献标识码:A 文章编号文章编号:1672-7800(2015)012-0202-03
0 引言
徐州工程学院是一所地方型全日制普通本科院校,其办学宗旨是为地方区域经济发展培养高素质应用型人才,这就要求工科类学生具有“大应用观、大工程观”的视野和思维模式。围绕学校人才培养模式要求,提出机械制造及其自动化专业以工程技术应用能力和创新能力作为人才培养的主线,积极构建宽基础、多方向、重实践的机械类应用型创新人才培养模式,响应国家提出的“中国制造2025”工业4.0规划的号召[1]。
《控制工程基础》课程是机械制造及其自动化、机械电子工程专业一门十分重要的专业基础课,是研究控制论在机械系统和电气系统中应用的一门技术课程,也是实现传统机械工程学科向以机、电、液相结合的现代机械工程学科跨越的主干支撑课程之一[2]。它既是一门广义系统动力学课程,又是一门方法论课程,涉及的基础理论知识、专业知识面宽,与生产实践联系紧密,要求学生能够对已有的各种机械、机电等系统进行工作原理和运行品质的分析设计,能够运用MATLAB仿真软件进行系统建模、仿真和设计,从而树立大工程意识、大系统观念,为学习机械工程测控技术、机电一体化系统设计等后续专业课和学科选修课奠定良好的基础。
1 传统人才培养教学模式存在的主要问题
机械类专业传统教学模式主要以教师的“教”为中心,忽略应用型人才培养模式的特点和要求,缺少大量生活生产实例的导入。《控制工程基础》课程主要讲述机电系统的分析和设计,包括系统建模、系统时域分析法、系统复域分析法、系统频域分析法和系统校正设计等内容。由于该课程涉及机械原理、大学物理、电工学、液压与气压传动等多门课程的知识,内容多且与生产实际联系紧密,同时又用到高等数学、复变函数等数学知识,使得学生普遍感觉难学、教师感觉难教,再加上课程学时少,学生疲于补习知识,更谈不上工程实践能力和创新能力培养。
1.1 理论教学实例少,学生学习兴趣低
《控制工程基础》课程属于跨学科的综合性课程,理论性强,涉及到多门课程。按照传统教学模式,建立控制系统的数学模型后,教师依次讲解时域分析法、复域分析法、频域分析法和系统综合与校正,使学生熟悉控制工程的基本概念、基本分析和设计方法。控制工程基础课程是为机械制造及其自动化专业的应用型人才培养服务的,这就要求在教学过程中,以应用型人才培养为指导,在教学过程中融合大量机、电、液的工程实例,而这正是传统教学所缺少的,导致学生感觉课程枯燥难学、听不懂,失去学习兴趣和动力。
1.2 孤立学习课程章节,学生大系统观念淡薄
《控制工程基础》课程主要研究机械控制工程中的动力学和方法论问题,是从大系统的角度出发研究由系统内部固有特性所决定的运动规律,及其改变这种运动规律的方法[3]。因此,不仅控制工程基础课程所要研究的被控对象系统性非常强,而且控制工程基础课程内容系统性也非常强。但是,在传统教学中,学生仅仅孤立学习各个知识点,缺少各种方法的串联与比较,未以系统的观念看待各知识点,从而觉得课程内容零散、不成系统,不能对控制系统的分析和设计形成整体认知,在将控制系统的基本概念和方法扩展到化工、生物、社会、经济等领域时不能做到融会贯通、举一反三。
1.3 理论联系工程实例少,学生工程控制意识不强
1954年,我国著名科学家钱学森出版了《工程控制论》一书,首先把控制论推广到工程技术领域,将工程师的实践和数学家的理论融合,提出了工程控制论[4]。由此可见,控制工程的最终目的是为工程技术服务的,这就要求教师在理论教学时,做到从实际问题出发,提炼科学问题,研究其内在的运动规律,指导工程实践。因此,在控制工程的教学中,教师要能够根据机械制造专业特点选择若干典型工程实例,展现工程系统建模、分析、设计的全过程,培养学生工程控制的意识。
2 基于工程实例和MATLAB软件的实践教学改革
2.1 采用大量实例教学,形成互动趣味课堂
爱因斯坦曾经说过:“兴趣是最好的老师。”浓厚的学习兴趣是学生学习知识、加工创造知识的源泉。因此,在教学过程中,教师要联系生活实际、工程实例,尤其是机械工程、机电工程系统的实例讲解控制基础课程中的基本概念、基本方法,从而使学生知道控制工程原来在生活、生产中随处可见,控制工程原来可以将各个学科统一起来。
在绪论章节,通过大量生活实例、工程实例讲述控制工程的发展历史和基本概念。控制工程的发展历史可分为3个主要阶段:古典控制阶段、现代控制阶段和智能控制阶段。在古典控制阶段,教师可以通过东汉张衡发明的地动仪引入稳定性的概念;通过马钧发明的指南车让学生思考按扰动补偿的控制原理;通过瓦特的离心式调速器介绍负反馈的基本原理,可由此引导学生思考若蒸汽机的速度过高、系统不稳定该如何处理,还可以介绍美国Minorsky提出的PID控制的船舶驾驶伺服机构、美国斯佩雷的火炮控制器、香农提出的继电器逻辑自动化理论等等。
在现代控制和智能控制阶段,主要通过一些工程实例让学生了解控制工程的最新发展,以开阔学生视野、扩大学生知识面。比如,教师可以通过单级圆柱齿轮减速器的优化设计引导学生了解建模、极值优化的基本概念;通过数控机床传动装置引导学生思考反馈的基本概念、等效力学建模的方法;通过蚂蚁觅食现象介绍蚁群优化算法;通过智能康复机器人介绍神经网络控制;进一步,还可介绍磁盘驱动系统、打印机传动系统、家用冰箱和空调温度控制、风扇调速控制、自动旋转门、工业机器人、无人机、火星探测漫游车、神州飞船等生活生产实例,以引起学生的学习兴趣,营造互动性强、趣味浓厚的课堂气氛,为学生系统学习控制工程的基本知识和方法做好铺垫。
2.2 利用MATLAB仿真软件开展实践教学
实践是检验真理的唯一标准,为了培养学生利用控制理论的基本方法解决工程应用问题,提高动手实践能力和工程应用能力,教师需要设计利用MATLAB仿真软件和学院的EL-AT-III型模拟实验箱开展形式多样的实践教学。
MATLAB仿真软件是美国MathWorks公司推出的一款科学计算软件,它集数值和符号计算、图形图像处理、可视化建模仿真等功能于一体,已被广泛应用于理论分析和工程设计中[5]。在课堂理论教学时,对于一些复杂系统的建模和分析可以利用MATLAB软件现场演示完成。例如,在讲解控制系统的数学模型和时域分析法时,建立光驱磁盘驱动器控制系统的方块图模型[6],如图1所示,其控制任务是将磁头精确定位到指定的磁道,以音圈电机来驱动磁头臂移动,用磁头读取磁盘上的磁道位置。给定相关参数后,可得该系统的闭环传递函数为:
Φ(s)=5000Ks(s+20)(s+1000)+5000K
令K=10,50,200,1000,可得磁盘驱动系统的阶跃响应如图2所示。可以看出,随着K的增大,系统响应振荡加剧;当K=10时,虽然系统无超调,但响应速度太慢。通过劳斯判据分析可知,当0 图1 磁盘驱动器读取系统 对于基础验证性实验,可以采用软件仿真和实验箱验证的双重机制,使学生掌握利用MATLAB软件和实验箱建立控制系统模型的方法和分析方法。例如,在典型环节及其阶跃响应实验中,利用Simulink搭建的惯性环节仿真模型如图3所示,其响应曲线如图4所示。可见当输入量发生变化时,输出量按照指数规律变化,不能立刻复现输入量的变化而有一个时间上的滞后,且惯性时间常数越大,延迟的时间就越长,这就说明该系统具有惯性。 利用EL-AT-III实验箱提供的运算放大器、电阻和电容搭建惯性环节的电路如图5所示,其响应曲线如图6所示。通过MATLAB仿真实验和实验箱模拟实验,由学生讨论其结果的异同,讨论参数T的大小对仿真结果的影响,从而加深对时域分析法的理解。 2.3 结合典型工程实例,提高学生应用创新能力 在利用MATLAB仿真软件和模拟实验箱完成基础性实验和课堂演示实验后,为提高学生分析控制系统原理、建立控制系统模型、综合设计控制系统的全局认知和创新能力,可以给出开放性、综合性设计实验。这就要求学生查阅相关资料信息,给出系统整体设计方案,搭建硬件电路和编写控制程序,在实际系统上验证方案可行性。仍以光驱磁盘驱动系统为例,结合PID控制器讲解系统综合设计的基本思想。 图5 惯性环节模拟电路 图6 惯性环节模拟电路阶跃响应曲线 考虑主导极点的作用,将音圈电机近似为一个二阶系统5s(s+20)。由于音圈电机传递函数中包含一个积分环节,因此采用PD环节作为控制器,同时设置前置滤波器消除PD环节零点对闭环系统的影响。为了满足超调量小于5%、调节时间小于50ms的要求,取ts=40ms、ωn=120,则PD环节的传递函数为Gc(s)=39.68(s+72.58),系统的阶跃响应曲线如图7所示,可以看出系统的超调量为0,调节时间为40ms满足要求。 图7 带有PD控制器的磁盘驱动系统阶跃响应曲线 3 结语 本文以机械类专业《控制工程基础》课程教学改革为例,探讨了机械类专业应用型人才培养模式的实践方法。以大量工程实例引导的教学模式,能够从实际生活、工程实例提炼研究问题,进而给出系统的数学模型和分析设计方法,具有很强的现实性和针对性,可以激发学生的学习兴趣;引入MATLAB仿真软件的实践教学,摆脱了实际硬件系统的局限性,增加课堂的信息量,增强课堂教学的趣味性,使得理论分析和实验分析互为支持,从而增强学生的动手实践和应用能力;典型工程实例的分析和设计,可以培养学生工程控制意识,在很大程度上提高学生提出问题、分析问题、解决问题的能力,为以后机电一体化、机械工程测试技术等课程的学习打下基础。 参考文献参考文献: [1] 陆启光.基于“工业4.0”的职业教育转型[J].职教论坛,2015,(16):4-9. [2] 宋小娜,乔文生,孙帅.机械控制工程虚拟实验平台的开发研究[J].机械工程与自动化,2008,150(5):54-56. [3] 孔祥东,王益群.控制工程基础(第3版)[M].北京:机械工业出版社,2014:8. [4] 陈磊.钱学森的百年人生(上)[N].科技日报,2009-11-1. [5] 付会凯,杜川.融入MATLAB的“机械控制工程基础”教学研究[J].牡丹江大学学报,2013,22(5):152-154. [6] 李宏林,赵鹏兵.基于Kalman滤波的滑模控制在磁盘驱动系统中的应用[J].计算机工程与科学,2012,34(3):51-54. (责任编辑:陈福时)
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