《机械工程控制基础》课程分析与教学方法研究

陈乃建 门秀花 王 娜 宋方臻 赵 珅

（济南大学机械工程学院，山东 济南250022）

《机械工程控制基础》课程分析与教学方法研究

陈乃建 门秀花 王 娜 宋方臻 赵 珅

（济南大学机械工程学院，山东 济南250022）

针对《机械工程控制基础》课程理论性强、知识覆盖面广的特征，以控制系统建模、分析与校正为主线，完成课程内容优化，并在此基础上，与学生的学习特点相结合，探索等效建模、虚拟仿真与案例分析等教学方法，改善《机械工程控制基础》课程的教学效果。

《机械工程控制基础》；课程分析；教学方法

0 前言

《机械工程控制基础》课程是机械工程类专业人才培养方案中“具有较强的工程设计和产品开发能力”要求的一门专业必修课，是以设计技术、制造技术和机电控制技术为人才培养模式的重要一环。而工程控制理论是介于许多学科之间的一门学科，反过来又渗透到各个工程领域，如电气、机械、液压、气动、航空、核反应、化工等。这门学科既是一门广义的系统动力学，又是一门合乎唯物辩证法的方法论，对于启迪与发展学生的思维与智力有很大的作用，但由于本课程内容难、知识点多、学时相对较少，学生难以在短时间内完成对理论知识与实践过程的掌握，为了提高课堂教学质量，改善教学模式，许多课程组都对机械工程控制基础课程教学模式进行改革，如张智焕等[1]采用机械工程控制基础虚拟仿真实验平台提高机械工程控制基础教学能力，拓展实践领域，李国栋[2]对机械工程控制基础网络实验室进行了设计，于晓琳等[3]基于CDIO对机械工程控制基础课程进行了教学改革、李蕊等实现了MATLAB在《机械工程控制基础》教学中的应用、雷文平等[4]以大量实验验证方式改进机械工程控制基础课程的教学方法等，本课题组也采用MATLAB仿真技术，设计了基于MATLAB/GUI的《控制工程基础》课程数字仿真实验平台[5]，都获得了丰富的教改经验及良好的教学效果。本文以济南大学机械工程学院的《机械工程控制基础》与卓越工程师班的《机电工程一》课程为依托，借鉴其他机械工程控制基础课程改革经验，对《机械工程控制基础》和《机电工程一》课程教学内容、方法和实验手段进行改革探索。

1 课程内容优化

《机械工程控制基础》课程的教学目标是使学生学习运用工程控制论的基本理论和基本方法，分析研究控制工程领域中有关信息的传递与反馈和系统的控制性能，培养学生判别系统稳定性和变更系统参数以改善系统性能的分析与综合能力。因此，《机械工程控制基础》课程内容以机械与电气系统为研究对象，围绕控制系统的数学模型、基本要求及系统校正等方面展开，完成对控制系统认识、评价与改造过程。以微分方程、传递函数、方框图、状态方程等建模方法构建被控对象的数学模型，完成对控制系统认识；而控制系统的评价采用超调量、上升时间、调整时间、峰值时间、稳态误差、幅值与相位裕度等时域和频域分析法，对系统的稳定性、准确性和快速性进行分析；而对控制系统的改造则用滞后校正、超前校正、滞后—超前校正、PID校正等方式，改善控制系统的稳定性、快速性和准确性。因此，《机械工程控制基础》课程从理论上可分为控制系统的数学模型、时域与频域性能分析、控制系统综合校正三个部分，将对控制系统的认识、评价及改造过程融为一体，从而有利于形成课程的整体脉络，促进教学内容的选择。

2 学情分析

《机械工程控制基础》课程的教学对象为机械工程、机械设计制造及其自动化、车辆工程专业大学三年级学生，已经学习了《高等数学》《大学物理》、《电工电子学》、《材料力学》、《机械原理》等部分理论课和专业课基础课，具备机械系统、机械转动系统、电气系统的基础知识如牛顿定律、胡克定律、基尔霍夫定律等，同时，《高等数学》和《工程数学》为控制系统建模打下了良好的基础，具有较强的逻辑思维能力，有利于该课程的开展。但《机械工程控制基础》课程中数学公式众多，计算推导难度大，同时课程内容庞大并且偏理论，需要同学们具有扎实的理论基础。针对在学习《机械工程控制基础》中出现的问题，充分利用现有教学资源，加强物理实验和仿真环节的教学，提高学生参与的兴趣，鼓励学生采用MATLAB编程环境对控制系统进行仿真，提高主动创新性。

3 等效法建模教学

控制系统的数学建模是《机械工程控制基础》中难度最大的部分，涉及机械系统、电气系统、机械转动系统等相关元件，需要用到各种物理定律、微积分运算，对学生的知识结构和知识储备提出了更高的要求。为简化同学们数学推导过程，方便对控制系统建模，将控制系统划分为机械系统（包括机械转动系统）和电气系统，分别由三个基本元素相互串联、并联构建复杂的物理系统。一般地，机械系统由弹簧K、阻尼D和质量M三个基本要素组成，根据牛顿定律，弹簧K的传递函数为k，阻尼的传递函数为Ds，而质量的传递函数为Ms2，如果将阻尼D、质量M都等效为弹簧系统，则可以将机械系统的三个基本要素转化为弹簧，都满足胡克定律，同时，与理论力学和材料力学知识相结合，等效弹簧刚度具有如下的性质：串联弹性刚度的倒数等于各弹性刚度的倒数之和，并联的弹簧刚度等于各弹簧刚度之和，可以有效化简机械系统建模过程。同样地，电气系统也包含电阻、电感和电容三个基本要素组成，根据基尔霍夫定律，电阻的传递函数为R，电感的传递函数为Ls，而电容的传递函数为1/Cs，因此，也可以将电气系统的三个基本要素等效为电阻，都满足欧姆定律的基本性质，从而可以有效改善授课效果，提高学生知识应用能力，激发学习兴趣。

4 虚拟仿真与案例教学

由于《机械工程控制基础》课程理论性强，数学基础及相关专业知识涉及广泛，对学习方法和教学方法都提出了较高的要求，因此，在教学过程中，以实际的机电系统设计过程为背景，将机械、液压、电气控制相关案例与MATLAB/GUI仿真实验与物理实验相结合，按照机械控制系统基本理论、控制系统的数学描述、测控系统性能分析、测控系统设计循序渐进式组织教学，同时引入实例化《机械工程控制基础》课程综合实验平台，采用电气、液压及模块化机器人等实验平台形成课程案例，将理论知识与物理器件联系起来，以典型环节模拟电路及液压回路的组建方法，学会使用基本实验设备，以仿真实验分析参数对系统瞬态性能及稳定性的影响，以模块化机器人等实验验证系统串联校正方法及控制系统的性能指标，通过基于MATLAB/GUI的《控制工程基础》课程数字仿真系统[5]实现时域与频域的分析，实现教学案例从建模、分析与校正过程，强调控制系统的基本理论与实际的机、电、液、气控制系统的联系，提高学生对控制系统性能评价的整体观，有利于进一步理解《机械工程控制基础》理论知识与工程应用之间的联系，促进理论知识的学习和理解。

5 结论

通过对《机械工程控制基础》课程内容优化、分析学生的学习特点，以等效方法构建系统的数学模型完成对系统的认识，化简了繁杂的数学推导过程，与案例教学与仿真实验相结合，有利于激发学生的学习兴趣，促进学生理论联系实际能力的提高。

［1］张智焕,张惠娣.机械工程控制的虚拟仿真实验教学实践[J].实验技术与管理, 2014,07:102-103+111.

［2］李国栋.机械工程控制基础网络实验室研究与实验设计[D].青岛大学,2011.

［3］于晓琳.基于CDIO的“机械工程控制基础”课程教学改革探索[J].教育教学论坛，2016，35:75-77.

［4］雷文平,郝旺身,董辛旻.关于“机械工程控制基础”课程的教学探索[J].中国电力教育,2010(32):68-69.

［5］陈乃建,王娜,门秀花,赵珅,丁良,王栋梁.基于MATLAB/GUI的《控制工程基础》课程数字仿真系统研究[J].科技信息,2013,15:170-171.

［责任编辑：李书培］