基于CDIO的《控制理論與工程》課程綜合改革研究

王坤　羅云林

摘要：針對CDIO教學模式和培養模式的要求，為增加學生對所學控制理論課程的系統性和綜合性認識，并及時將其應用于實踐過程中，本文對控制理論課程內容進行了修訂，在教學過程中加大工程實踐能力的培養，為本校CDIO試點專業的教學實踐提供了重要的依據。

關鍵詞：CDIO；《控制理論與工程》；課程綜合改革

中圖分類號：G642.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）48-0114-03

一、引言

隨著國內經濟的飛速發展，隨之而來的工程教育中的問題是學生知識面狹窄，學習缺少自主性和創造性，學科教育與工業實踐脫節，學生在現代工業生產中賴以生存和成長的團隊精神、交流能力和多學科、系統掌控能力幾乎得不到任何發展。近年來，工業界逐漸認識到由于嚴重脫離實踐，高校工程專業所培養的畢業生難以適應現實工業生產的需要。為此，許多大型工業公司紛紛列出他們所需的工程師必備素質詳單（如波音公司）?？刂评碚撜n程，是高校電類、自動化等相關專業的一門重要的專業基礎課，是本科生后續課程和研究生課程的基礎，是培養學生認識和掌握方法論、系統論的關鍵課程。該課程的主要任務是通過對控制理論知識的學習，培養學生對控制系統的設計能力、工程實踐能力和創新能力。該課程的特點是理論性強，內容比較抽象，在控制系統分析和設計過程中涉及各種分析方法的繪圖和復雜的計算，教學內容既抽象又與實踐密切聯系，概念難以理解[1]?？刂评碚撜n程所涉及的知識與其控制對象的性質有關，觸及人類活動的各個方面，如天文觀測、航空航天、軍事、工業、農業等；此外，在討論控制對象的數學模型和分析其性能時，還需要大量的作為工具的數學知識，如高等數學、線性代數、積分變換、復變函數、物理等諸多基礎課的內容，涉及知識面廣，理論知識較多，對學生的基礎課程要求較高，在教學中容易出現學生缺乏這些準備知識的現象，造成學生學習上的畏難情緒，影響教學效果?！犊刂评碚撆c工程》課程的研究對象是具體的生產過程或者裝置，為研究該系統，需要對該系統進行建模，故在開始階段需要介紹大量關于控制的諸如被控對象、輸出量、測量裝置、反饋等概念。由于是第一次接觸控制類的課程，所以，學生接受起來比較困難。對于系統而言，我們可以用不同的數學模型來描述，如微分方程、傳遞函數、頻率特性等；對系統分析時，我們可以采用時域、頻域和復數域的分析方法等，這些會造成學生理解上的混亂和學習中的困難。這些抽象的概念和推理在數學體系下進行，而物理概念、工程概念相對較少，學生學習的難度較大，他們不容易有學習的興趣，教學過程易枯燥[2]?？刂评碚撗芯康膶ο鬄閷嶋H的自動控制系統，探討的是控制過程的性能及其規律性，其理論具有很強的應用性，具有明顯的理論性和工程性，與基礎課程相比，在研究方法和學習方法方面都有較大的區別，造成了教學上的思維障礙。目前的教育思路是培養具有實踐能力的、能適應社會要求的工程師教育，在該思想的影響下，學生的就業壓力較之以往更大。因此，關注點就主要集中到如何面向實際迎合就業需求上，從而導致理論課程教學的難度更加大。在理論課程的教學過程中，教師往往是在緒論部分引入該課程的相關的概念和基礎知識，使學生對該課程有一大致的認識和了解，因此，每門課程的開始部分是最難以講授的，需要通過較少的時間將該課程的位置、意義等簡述清楚，讓學生對該課程感興趣是一個非常重要而又困難的工作。如果開頭部分，學生就沒有對該課程有了一個較為全面的認識，那在今后的課堂學習中，即使聽了也只是照葫蘆畫瓢，一知半解，到真正實踐的時候，學生不知道如何與所學理論結合起來。目前，各高校在控制理論的教學中，先講授經典控制理論，主要是介紹控制系統的基礎知識、概念，控制系統的數學模型，分析系統的時域法、根軌跡法和頻域法，熟悉控制系統的綜合校正方法，了解離散控制系統和非線性系統的特點和分析方法等知識。作為后續課程的現代控制理論，它主要從系統的狀態空間模型出發，講授系統的能控能觀性、系統的穩定條件、線性系統的校正和狀態觀測與最優估計等內容。

二、CDIO理念

CDIO是國際創新型工程教育模式，它是由美國麻省理工學院和瑞典皇家工學院等四所大學歷經四年的研究成果。CDIO是構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）、運作（Operate）四個英文單詞的縮寫，它是“做中學”和“基于項目教育和學習”的集中概括和抽象表達。CDIO以產品研發的全過程為載體，培養學生工程基礎知識、個人、人際團隊和工作系統四個方面的能力。其中，“構思”，包括顧客需求分析，技術、企業戰略和規章制度設計，發展理念、技術程序和商業計劃制定；“設計”，主要包括工程計劃、圖紙設計以及實施方案設計等；“實施”，特指將設計方案轉化為產品的過程，包括制造、解碼、測試以及設計方案的確認；“運行”，則主要是通過投入實施的產品對前期程序進行評估的過程，包括對系統的修訂、改進和淘汰等[3.4]。目前流行的CDIO工程教育是一種面向客戶和產品的人才培養模式，該模式要求學生掌握扎實的基礎理論和專業知識，并具有將理論知識應用到實際的能力，能夠從產品的設計、開發階段開始，將整個所學知識內容應用于產品的生命周期的開發過程中，從而成為一名合格的具有創新、實踐和職業道德的工程師。CDIO教育模式從教學理念到課程，再到教學、評估進行整體改革，改變傳統教育模式，提高工程人才培養質量。目前，CDIO教學模式注重培養學生的三種能力：①理論層面的知識體系，包括未來工程師個體必須掌握的基礎科學、核心工程基礎和高級工程基礎等知識；②實踐層次的能力體系，包括未來工程師所必須具備的工程推理與問題解決技能、實驗與知識的發現技能、能夠系統思維能力等；③人際交往技能體系，包括團隊合作與溝通能力、外語交際能力和運作（CDIO）工程產品和系統的能力[5]。

三、基于CDIO的控制理論課程綜合改革方法

針對CDIO教學模式和培養模式的要求，為增加學生對所學控制理論課程的系統性和綜合性認識，并及時將其應用于實踐過程中，故筆者改變現有的控制理論課程的教學過程，將經典控制理論和現代控制理論的理論課程融為一體，加入MATLAB基本工具，用來輔助分析、計算、設計和仿真研究；整合課程內容至一個教學學期中，在理論授課過程中增加自動控制系統的工程設計環節，完成“智能點滴監控系統設計”和“智能火警監測系統設計”兩個初級項目的開發；同時，在控制理論的授課過程中，增加各種控制系統中常用的元件的原理介紹，并將這些常用的控制變換元件應用于自動控制系統的設計過程中，實現理論和實踐的并重并用。具體內容如下。endprint

1.控制系統的基本概念和知識，對系統的基本要求和課程的基本任務。

實驗1：控制系統基本概念的演示實驗。

2.系統微分方程的建立，控制系統各環節所需控制元件原理及功能介紹，包括：測量元件、執行元件、放大元件等，重點要求步進電機以及帶動一滑輪系統各種傳感器的工作原理，引入“智能點滴監控系統”項目，了解該項目的主要功能；傳遞函數模型，動態結構圖和信號流圖系統模型，控制系統的狀態空間表達及傳遞函數矩陣的建立及線性變換，數學模型之間的關系以及相互轉化，并通過matlab來實現。

3.時域法分析二階欠阻尼系統的方法，同時求解線性定常系統，建立系統的狀態轉移矩陣，分析系統的能控能觀性，并對系統結構進行分析，根據李亞普諾夫穩定性的定義分析系統穩定性，分析系統的穩態誤差來分析其準確性，并用matlab求方程的解；根據系統要求分析“智能點滴監控系統”與“智能火警監測系統”，確定系統模型。

實驗2：系統時域性能分析實驗。

4.根軌跡繪制及分析方法，通過matlab仿真軟件繪制不同系統的根軌跡，并對高階和二階系統性能通過根軌跡曲線來進行仿真分析。

5.頻域法通過分析開環頻率特性來確定閉環系統的穩定性，通過matlab進行分析，分析不同參數及結構下系統的頻率特性曲線，并從曲線上分析系統的性能。

實驗3：系統頻率特性測試實驗。

6.線性系統的綜合設計和校正方法（SISO和MIMO），分析“智能點滴監控系統”與“智能火警監測系統”，根據系統要求完成系統，確定系統結構和參數，合理選擇控制系統所需元件及其參數，諸如步進電機、傳感器等元件的選取，實現系統的設計；通過matlab仿真將校正前后系統的頻率特性曲線和根軌跡曲線進行比較分析，明確校正裝置對系統性能產生的影響。

實驗4：連續系統串聯校正實驗。

7.非線性系統的分析方法，通過matlab仿真實現非線性系統分析。

實驗5：非線性系統實驗。

8.離散控制系統的分析方法，利用matlab仿真來分析離散系統的動態性能，給學生以直觀的認識。

通過整合該課程的學習，學生可自行開發課堂內外的實驗項目，并完成“智能點滴監控系統設計”和“智能火警監測系統設計”兩個初級項目的設計開發任務。通過“智能點滴監控系統”和“智能火警監控系統”的設計開發，我們使得學生從理論和實踐上充分理解智能測控系統的特點和作用，將所學的電路分析、電子技術基礎、計算機原理與系統、自動控制原理與系統、智能檢測技術、單片機與工業控制計算機等課程知識，將理論與實踐在學習進程中緊密結合，系統地、循序漸進地將知識消化吸收。

我們通過本次課程的整合，旨在提高學生對控制理論課程的整體認識，通過穿插于課程中的實驗項目和初級項目的開發，使得學生從對系統控制量的確定、系統性能的分析到確定系統模型，并合理正確地選擇各個元件及其參數，實現兩個系統的開發，使得學生從整體上認識控制系統的設計思路和方法，通過動手實踐并實現系統功能。開發過程中的互助合作，能增強學生的團隊合作能力和自我協調能力。這能激發學生學習興趣，明確學習方向，轉變學習態度，提高專業基礎水平和團隊合作意識，提高學生的實踐能力，培養適應企事業單位需要的工程人才。

參考文獻：

[1]司徒瑩.CDIO與《自動控制原理》課程教學改革[J].教育教學論壇，2013，（25）：47-48.

[2]劉鎮章，陳從桂，李東煒.CDIO自動控制理論課程的探討[J].當代教育理論與實踐，2012，4（7）：49-50.

[3]李善壽.”CDIO”工程教學模式在實踐教學中的實施方法研究[J].重慶科技學院學報（社會科學版），2010，（20）：164-166.

[4]江帆，張春良，王一軍，等.CDIO開放教學模式研究[J].教學研究，2012，35（2）：27-32.

[5]郭小勤，曹廣忠.基于項目的CDIO理念在課程教學中的應用[J].實驗科學與技術，2010，8（3）：83-85.

基金項目：天津市普通高校本科教學質量與教學改革研究計劃（C04-0807）；中國民航大學教育教學改革研究課題（xjz2012004）

作者簡介：王坤（1978-），女，天津人，副教授，主要從事自動控制原理及其相關課程的教學和研究；羅云林（1956-），男，四川人，教授，中國民航大學航空自動化學院副院長，主要從事控制理論方面的教學和科研。endprint