《控制工程基礎(chǔ)》實驗教學研究與探討

張東輝 張?zhí)m娣 劉春東 梁建明

摘要：本文介紹了控制工程基礎(chǔ)課程的性質(zhì)和地位，分析了其實驗教學的重要性，并利用TAP-II儀器對典型實驗項目進行實驗，學生利用已學理論對實驗結(jié)果進行分析，并在實驗教學中引入Matlab。達到了使學生理論和實驗相結(jié)合、融會貫通全面掌握控制工程基礎(chǔ)理論的目的。

關(guān)鍵詞：控制工程基礎(chǔ)實驗教學TAP-IIMatlab

1概述

在科學技術(shù)發(fā)展的進程中，自動控制起著重要的作用。從首次在工業(yè)上用于控制蒸汽機轉(zhuǎn)速的飛球控制器到為火箭和空間探測器設(shè)計出來的復雜和高精度的控制系統(tǒng)，自動控制技術(shù)的應用促進了社會經(jīng)濟的發(fā)展，而客觀的社會需要又給自動控制理論的發(fā)展賦以動力[1]。控制工程基礎(chǔ)是機械設(shè)計制造及其自動化、機械電子工程等專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，該課程涉及到傳遞函數(shù)、微分方程、時間響應、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差、頻率響應和控制系統(tǒng)的校正等主要內(nèi)容，理論性較強，計算量大、涉及到的知識面廣。

2控制工程基礎(chǔ)實驗教學現(xiàn)狀分析

目前，本科院校的機械工程專業(yè)幾乎都開設(shè)控制工程基礎(chǔ)課程。該門課程理論性強，學生理解起來比較吃力，因此該課程都設(shè)有相應的實驗教學，實驗教學在幫助學生正確理解控制工程的基本概念、理論聯(lián)系實際，提高學習興趣等方面起到了非常重要的作用。但由于受師資力量、傳統(tǒng)教學等諸多因素的限制，現(xiàn)有的實驗儀器及實驗項目不能很好的發(fā)揮上述作用。隨著新一輪教學計劃的調(diào)整，大幅度削減學時，實驗學時少之又少，能完成的實驗項目非常有限。目前該課程的實驗教學都是在實驗箱上完成的驗證性實驗。以作者所在學校為例，介紹一下控制工程實驗的基本情況。控制工程實驗目前使用的是清華大學科教儀器廠生產(chǎn)的TAP-II型控制理論模擬實驗裝置，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

TAP-II型控制理論模擬實驗裝置由計算機、A/D/A接口板、模擬實驗臺和打印機組成。

計算機負責實驗的控制、實驗數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示、儲存和恢復功能，還可以根據(jù)不同的實驗產(chǎn)生各種輸出信號；模擬實驗臺是被控對象，臺上共有運算放大器12個，與臺上的其他電阻電容等元器件配合，可組成各種具有不同系統(tǒng)特性的實驗對象，臺上還有正弦、三角、方波等信號源作為備用信號發(fā)生器用；A/D/A板安裝在模擬實驗臺下面的實驗箱底板上，它起著模擬與數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換作用，是計算機與實驗臺之間必不可少的橋梁；打印機可根據(jù)需要進行連接，對實驗數(shù)據(jù)、圖形作硬拷貝[2]。由于學時限制，本門課程開設(shè)了兩個實驗項目，二階系統(tǒng)的階躍響應和系統(tǒng)的頻率特性測量。在實驗教學過程中，傳統(tǒng)實驗儀器的利用率較低，如何提高實驗儀器的利用率，更好的發(fā)揮實驗儀器的作用，也是今后實驗教學改革的內(nèi)容之一。

目前，實驗經(jīng)費投入不足，儀器設(shè)備利用率低，學時少，教師和學生對實驗的精力投入不夠等因素導致了目前實驗教學質(zhì)量不高，學生興趣不濃，實驗教學很難真正提高學生的動手能力和創(chuàng)新能力，從而很難實現(xiàn)對理論教學的驗證，更好的實現(xiàn)理論實驗相結(jié)合的教學。

3實驗教學改革研究

3.1傳統(tǒng)實驗教學內(nèi)容的改革

TAP-II控制理論模擬實驗裝置，提供十二個模塊、六個實驗項目。在之前的教學中，只選用了其中兩個為例作實驗。對傳統(tǒng)實驗教學內(nèi)容的改革主要是根據(jù)課程要求，把實驗項目設(shè)置成必做實驗，選做實驗和自主創(chuàng)新實驗。其中必做實驗為根據(jù)理論課要求，學生必須完成的項目。選做實驗是教師提供多個實驗項目，學生可根據(jù)自己興趣自行選擇其中一個或幾個完成。必做和選做實驗是由實驗教師提供實驗指導書，學生據(jù)此完成即可。自主創(chuàng)新實驗是學生自行設(shè)計實驗項目，自行編寫實驗指導書，根據(jù)TAP-II提供的十二個模塊自行選擇，設(shè)計完成實驗。通過設(shè)置實驗的不同類型，可以提高學生的學習興趣和創(chuàng)新能力，更好的發(fā)揮實驗教學的作用。如表所示為實驗項目類型列表：

3.2實驗方式、考核方式的改革

實驗教學通常是理論教學講到相應內(nèi)容時，安排相應的實驗項目，學生根據(jù)教師安排統(tǒng)一完成實驗。完成實驗的時間相對固定，學生跟著老師的指揮棒走，很難有自己獨立思考的時間，學生興趣不高，只是按部就班完成任務(wù)而已。實驗考核方式單一，根據(jù)實驗報告及實驗表現(xiàn)給出成績，占該課程成績的10%，實驗做得好與不好，折合到總成績里相差不大，這也是學生不認真完成實驗的原因之一。

鑒于以上情況，本次實驗教學改革嘗試著實驗單獨設(shè)課，成績獨立計算，不再依附于該門課程。建立開放實驗，也是實驗方式改革的重要內(nèi)容。在時間上對學生開放，學生可在規(guī)定時間內(nèi)，自行選擇時間完成實驗，完成一個實驗項目的時間不予規(guī)定。實驗儀器對全部學生開放。

3.3計算機仿真的引入

實驗箱上提供的模塊和實驗項目有限，且模塊內(nèi)的元件接線固定，系統(tǒng)提供的元件數(shù)量有限，且大小可不調(diào)。極大的限制了學生的實際動手能力和創(chuàng)新能力。利用計算機來進行輔助控制系統(tǒng)教學實驗，這樣既節(jié)省了實驗設(shè)備和資金，又創(chuàng)造出一個適合于個體教學，利于因材施教，啟發(fā)思維，靈活機動的學習環(huán)境，并能夠充分調(diào)動學生的積極性[3]。

Matlab是一款非常優(yōu)秀的計算機仿真軟件，非常適合應用于控制工程基礎(chǔ)課程的實驗教學當中。Matlab是MathWork公司于1984年推出的程序設(shè)計語言，由于其超強的數(shù)值運算能力、豐富的工具箱燈使得它一經(jīng)推出就受到了廣大科研人員及高校教師的廣泛關(guān)注。目前，關(guān)于Matlab的研究和應用也得到很大發(fā)展。在科學研究、高等學校以及工程技術(shù)領(lǐng)域都有廣泛應用。將Matlab仿真軟件應用于控制工程基礎(chǔ)的實驗教學中，可以增加實驗儀器無法完成的仿真實驗，利用其強大的仿真功能，可以容易的實現(xiàn)與實驗儀器同樣的效果。

Matlab在控制工程基礎(chǔ)實驗教學中的應用有三種形式，第一種是直接利用Matlab豐富的指令直接進行仿真，如求系統(tǒng)的奈奎斯特圖，可以直接用指令Nyquist來完成，對于復雜一些的也可利用M文件的編程實現(xiàn)。此種形式的應用簡單易學，仿真結(jié)果直觀明了。第二種是利用Simulink來實現(xiàn)系統(tǒng)的仿真。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口（GUI），這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果[4]。第三種是利用Matlab開發(fā)控制工程仿真實驗系統(tǒng)。利用Matlab的GUI界面，可以實現(xiàn)控制工程基礎(chǔ)實驗教學仿真實驗平臺的構(gòu)建。此種方法涉及的知識較多，需要更多創(chuàng)新思維，更有助于提高學生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

4結(jié)束語

控制工程基礎(chǔ)課程在人才培養(yǎng)方案中占據(jù)著重要地位，實驗教學對于提高學生學習興趣，鍛煉學生動手能力以及培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力都具有重要意義。本文從實驗教學內(nèi)容、實驗方式及考核方式和仿真軟件的應用三方面對控制工程基礎(chǔ)實驗教學改革進行了探討。圍繞著如何提高教學質(zhì)量、增強學生在未來就業(yè)中的競爭力，全面提高學生的素質(zhì)而展開的一系列教學改革中非常關(guān)鍵的一環(huán)就是進行實驗教學改革，全面提高學生的動手能力和創(chuàng)新能力，以適應快速發(fā)展的社會環(huán)境。

參考文獻：

[1]張尚才.控制工程基礎(chǔ)[M].杭州：浙江大學出版社，2012.

[2]TAP-II實驗指導書，清華大學科教儀器廠.

[3]王偉，申愛明.《控制工程基礎(chǔ)》課程教學改革研究與探索.

[4]http：//baike.baidu.com/view/584919.htm？fr=aladdin.

基金項目：2012年河北省高等教育教學改革研究項目《基于辦學體制機制創(chuàng)新的建筑類高校二級學院綜合改革研究》，項目編號：2012GJJG105。