淺談機械工程控制教學

劉美英

機械工程控制基礎是八十年代興起的一套控制理論，是經典控制理論在機械工程領域中的應用。機械工程控制是自動控制的一個分支，它以控制論為理論基礎，研究的是機械工程領域的自動控制問題，具有很強的針對性，是機械專業本科生的一門專業基礎課。其包括兩個方面：①對機電系統中存在的問題能夠以控制論的觀點和思維方法進行科學分析，以找出問題的本質和有效的解決方法；②如何控制一個機電系統，使之按預定的規律運動，以達到預定的技術經濟指標，為實現最佳控制打下基礎。盡管機械工程控制基礎在機械專業的培養目標體系里具有舉足輕重的地位，但是其實際教學效果卻不太理想，主要原因體現在兩個方面。

首先，機械工程控制基礎在研究系統數學模型時，需要用到一些力學、電學甚至是磁學等前導知識，這就要求學生具有較好的前導課程基礎，但現在很多學生對這些前導知識不甚了解，導致機械工程控制基礎課程學習吃力，久而久之就產生了厭學等不良情緒；其次，在系統的模型推導、變換及分析等方面，機械工程控制基礎和數學結合非常緊密，不僅要求學生有較好的數學基礎，還要求有一定的分析與綜合能力，而這也恰恰是很多學生所欠缺的。控制論本身就是一門理論性很強的科學，機械工程控制也不例外。我們從機械工程控制的知識體系來看，其主要教學內容有系統的數學模型、系統的時間響應分析、系統的頻率特性分析、系統的穩定性、系統的性能指標與校正等，這些內容的理論性都很強。盡管在建立系統數學模型階段，可能是針對具體的機電系統，但是后續的時間響應分析、頻率特性分析等都是基于理論分析，學生在學習過程中，不清楚這些理論分析的依據和作用所在，脫離了工程實踐，只知道套公式，影響了教學效果。由以上機械工程控制的教學現狀，我們可以看出，目前的機械工程控制教學不能充分激發學生的學習興趣，使其處于被動接受知識而不是主動求知，教學效果不好。因此，機械工程控制課程改革勢在必行，必須改革教學模式，才能適應工程教育的目的，培養學生的實踐能力。

工程教育是為國家經濟建設提供工程技術與企業管理人才的主要渠道。已成為高等工程教育大國的中國，正以實施卓越工程師教育培養計劃為突破點，加快高等工程教育改革創新。機械工程控制課程改革正是契合了工程教育改革的時機。在工程教育的大背景下，如何鞏固和加強機械工程控制技術體系，在有限的時間內使學生在這個體系里循序漸進地學習和掌握機電系統控制理論和方法，掌握基于Matlab的輔助分析方法以及在教學實踐過程中培養他們的控制論知識實際應用能力，這是目前機械工程控制課程亟待解決的問題。擬采取的實施方法及內容主要為以下幾方面。

一門課程的第一堂課，往往是學生最有興趣的，因為學生想知道這門課學的是什么，有什么用途，這將在很大程度上影響他們今后對這門課學習的態度。機械工程控制第一堂課主要是簡介控制論的發展，以及系統、控制系統等基本概念，應該多舉一些控制論應用的實例，簡明扼要地讓學生接受控制論的作用，以及日常生活中一兩個控制論簡單應用的實例，讓他們參與到控制過程的設計中來，明白控制論也不是如此深奧和復雜，而是和日常生活緊密結合在一起的。

如上所述，學生學習機械工程控制的一大障礙是前導課程知識遺忘較多。所以在正式學習機械工程控制之前，建議先有針對性地復習和鞏固相關前導知識，主要包括：機械動力學相關的一些直線運動、圓周運動等相關概念和定律，如牛頓定律、庫克定律等；電工電子學相關概念和定律，如歐姆定律、基爾荷夫定律等；電磁學相關概念和定律，如電磁感應定律等。數學相關前導知識可以放到系統數學模型一章中再進行復習和鞏固，主要包括微分方程、Laplace變換等。

機械工程控制課程密切貼合工程實踐，這就要求在講解及學習過程中，多設計及引入一些相關機電系統的具體實例，圍繞這些具體實例進行數學模型的構建、時間響應的分析、頻率特性的分析及系統穩定性等。此外，在理論教學過程中，引入基于Matlab的虛擬仿真環境，讓一些設計、分析及結果所見所得，增強學生學習興趣。在機械工程控制課程教學的每個環節，都可利用Matlab，尤其是理論性特別強的章節，如頻率特性分析、性能校正等。

實驗是教學效果提升的較好手段，尤其是對于機械工程控制等原理性強的課程，更要加強實驗教學工作。實驗包括課內實驗和課外實驗兩大類，課內實驗包括一些Matlab演示實驗，及相關物理系統實驗，如單位脈沖響應、頻率響應、系統傳遞函數等的實驗確定；課外實驗主要是Matlab仿真實驗，這部分由教師提出要求，學生獨立在課外完成。

總之，機械工程控制基礎的教學過程中首先培養學生的抽象思維能力和邏輯分析能力，通過生活實例和典型工程案例巧妙地將課程的基本理論與工程實踐有機地結合起來，變空洞的理論具體化、實踐化、工程化，激發學生的學習興趣，通過強化機械工程專業背景知識，加強實驗教學、計算機模擬仿真、綜合實驗周訓練等教學環節，培養學生用經典控制論的方法解決機械工程領域的實踐問題，使該課程逐漸成為廣受學生歡迎的實用性較強的一門專業基礎課程。