《控制工程基礎(chǔ)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究與探討

陳 曉

（安陽工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南安陽455000）

《控制工程基礎(chǔ)》課程是諸多工科專業(yè)，例如機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化、機(jī)械電子工程的一門重要基礎(chǔ)課程，為后續(xù)的專業(yè)課程提供了理論基礎(chǔ)和分析、設(shè)計(jì)方法。該課程的特點(diǎn)是理論性較強(qiáng)，概念多，內(nèi)容抽象，并涉及數(shù)學(xué)、物理等多方面知識，具有一定的深度和難度。因此，該課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開設(shè)就在消化、理解和吸收教學(xué)內(nèi)容上起到了非常重要的作用[1]。

目前，該課程所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)大多是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺少綜合性、設(shè)計(jì)性及創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，極易造成學(xué)生理論與實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐環(huán)節(jié)脫節(jié)[2]，不利于學(xué)生對知識的掌握及應(yīng)用。因此，根據(jù)課程特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件與學(xué)時(shí)數(shù)情況，現(xiàn)提出采用“虛實(shí)結(jié)合”、原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與綜合性、設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，并按照課程教學(xué)重點(diǎn)以及各專業(yè)特色設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，規(guī)范并完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。下面針對這一思路作進(jìn)一步探討。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)對學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有十分重要的作用。《控制工程基礎(chǔ)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)就是通過設(shè)置一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，使學(xué)生充分掌握控制理論的基本知識、基本方法和基本技能，調(diào)動學(xué)生所有的感知功能，最大限度地提高教學(xué)效果及學(xué)習(xí)效率，消除學(xué)生在控制理論中因抽象而產(chǎn)生的畏難、厭煩心理，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)生處于一種探索、發(fā)現(xiàn)的學(xué)習(xí)過程，引導(dǎo)學(xué)生盡早進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力[3]。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)以上的教學(xué)目標(biāo)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容規(guī)劃上，可以圍繞以下3方面來完成。

1）根據(jù)教學(xué)內(nèi)容狀況和現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，采用“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)方法。

“虛”即是利用MATLAB仿真軟件，在SIMULINK仿真環(huán)境下，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)。

MATLAB是一種用于工程計(jì)算和數(shù)值分析的交互式軟件，它將高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化集成在一起，從而被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算，信息處理、控制系統(tǒng)等領(lǐng)域的分析、仿真和設(shè)計(jì)工作。其中包含的控制系統(tǒng)工具箱就是專門針對控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的函數(shù)和工具的集合，涉及了經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的大部分內(nèi)容，包括根軌跡圖的繪制、零極點(diǎn)的設(shè)置和最優(yōu)控制等[4]。

如果將MATLAB融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中去，先由教師選有代表性的題目在計(jì)算機(jī)上對學(xué)生進(jìn)行演示，以便學(xué)生理解本次實(shí)驗(yàn)的主要目的，然后由學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場操作，同時(shí)針對學(xué)生在仿真過程中遇到的問題進(jìn)行解答。這樣不僅可以起到輔助教學(xué)的功能，而且能增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識，加強(qiáng)其對授課內(nèi)容的理解，提高教學(xué)效率。

“實(shí)”即是利用控制理論實(shí)驗(yàn)箱，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

常見的控制系統(tǒng)分兩大類，一類是機(jī)械系統(tǒng)，另一類是電氣系統(tǒng)。對機(jī)械系統(tǒng)的模擬往往對實(shí)驗(yàn)條件要求頗多，而對電氣系統(tǒng)的模擬則相對簡單易行。根據(jù)機(jī)電相似性原則，可以利用電氣元件模擬機(jī)械系統(tǒng)，使兩者具有相同的數(shù)學(xué)模型。就動態(tài)性能來說，對電氣系統(tǒng)模擬的研究，可以替代對機(jī)械系統(tǒng)的模擬[5]。所以，在本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可采用控制理論實(shí)驗(yàn)箱來完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生在硬件電路箱上搭建控制系統(tǒng)，通過信號發(fā)生器、示波器、頻率分析儀等設(shè)備，分析測試系統(tǒng)特性，調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，從而進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)、控制仿真或?qū)嶋H控制實(shí)驗(yàn)，由此培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力、科研能力和實(shí)際動手能力。

2）遵循循序漸進(jìn)的原則，改變單一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，采用驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與綜合性、設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

《控制工程基礎(chǔ)》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，必須開設(shè)一定量的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，由教師指導(dǎo)學(xué)生對課堂上學(xué)過的定律、結(jié)論通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，從而深化理解。除此之外，也要加大綜合性、設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的比例，讓學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)專業(yè)的特點(diǎn)及愛好進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，改變學(xué)生的被動接受式學(xué)習(xí)方式，采用自主式學(xué)習(xí)為主導(dǎo)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和獨(dú)立分析問題、解決問題的能力[6]。

3）根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的擴(kuò)展線路，圍繞重要知識點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置。

《控制工程基礎(chǔ)》的教學(xué)重點(diǎn)有3個(gè)：系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析以及系統(tǒng)的校正和設(shè)計(jì)[7]。在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置上，應(yīng)與這幾個(gè)重點(diǎn)的知識點(diǎn)緊密結(jié)合，開設(shè)如控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的模擬，控制系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)分析、穩(wěn)定性分析，以及控制系統(tǒng)的校正與設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

另外，對于非電類專業(yè)，例如機(jī)械制造、車輛工程等，也可開設(shè)一定針對各專業(yè)特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。比如機(jī)械制造專業(yè)，可以數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行控制為實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將機(jī)械制造與控制理論相結(jié)合，讓學(xué)生將理論知識用到實(shí)際生產(chǎn)中去，解決基本的工程問題，提高學(xué)生對課程及本專業(yè)的理解。

3 結(jié)語

《控制工程基礎(chǔ)》研究的問題帶有普遍性，對工程實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義，該課程實(shí)驗(yàn)的開設(shè)對培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用控制原理的基本方法、提高分析和解決各種工程問題的能力具有重要意義。采用計(jì)算機(jī)仿真與控制系統(tǒng)搭建兩類實(shí)驗(yàn)方式，令“虛實(shí)結(jié)合”，調(diào)整原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與綜合性、設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的比例，按照課程教學(xué)重點(diǎn)以及各專業(yè)特色設(shè)置實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，對于學(xué)生掌握理論知識，并將理論與實(shí)際工程問題結(jié)合具有很大的幫助。

[1]尚銳，王曉明，宛劍業(yè).“控制工程基礎(chǔ)"課程的實(shí)驗(yàn)方法研究[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2008（3）：106-108.

[2]林海鵬，王金波，董金波，等.《控制工程基礎(chǔ)》課程的教學(xué)改革與實(shí)踐探索[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（社會科學(xué)版），2011（8）：182-183.

[3]董景新.控制工程基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003．[4]董金波，任思璟.運(yùn)用MATLAB仿真軟件促進(jìn)《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》課程教學(xué)的改革與實(shí)踐[J].中國科技信息，2012（1）：127.

[5]嚴(yán)繼東，劉宗群.自控實(shí)驗(yàn)中二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)實(shí)驗(yàn)方法的探討[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，1992（3）：58-61.

[6]侯志敏，尚雅層.控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究與實(shí)踐[J].教育前沿，2010（4）：52.

[7]王積偉，吳振順.控制工程基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2010．