“控制工程基礎(chǔ)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究*

梁 亮，段想平，朱宗銘

“控制工程基礎(chǔ)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究*

梁 亮，段想平，朱宗銘

（長(zhǎng)沙大學(xué)機(jī)電工程系，湖南長(zhǎng)沙410022）

為了更好掌握“控制工程基礎(chǔ)”課程基礎(chǔ)理論知識(shí)、加強(qiáng)課程實(shí)踐環(huán)節(jié)，以天煌教儀控制理論電子模擬實(shí)驗(yàn)箱和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，提出一種將以Matlab仿真和模擬電路為主的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和以實(shí)際應(yīng)用對(duì)象為主的綜合實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，并介紹了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)成、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的實(shí)施策略.實(shí)踐教學(xué)表明，所提出的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系層次分明，設(shè)備要求不高，易于實(shí)現(xiàn)，教學(xué)效果良好.

控制工程基礎(chǔ)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系；實(shí)施策略

“控制工程基礎(chǔ)”是高等院校機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、機(jī)械電子、電氣自動(dòng)化、材料成型及控制工程等專業(yè)的一門必修專業(yè)基礎(chǔ)課［1］.本課程重點(diǎn)講授控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)所需的基礎(chǔ)理論和方法，主要包括系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立、系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)分析、系統(tǒng)頻域特性分析和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正等內(nèi)容.學(xué)習(xí)和掌握本課程的核心內(nèi)容后，學(xué)生將可以在不同的空間自由分析和改進(jìn)控制系統(tǒng)的性能和品質(zhì)，并可以根據(jù)實(shí)際需要，創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)并加以實(shí)現(xiàn).

本課程理論性強(qiáng)、數(shù)學(xué)要求高、內(nèi)容抽象，在教學(xué)過(guò)程中，理論課時(shí)所在比例大，實(shí)驗(yàn)課時(shí)較少，理論和實(shí)際應(yīng)用結(jié)合不緊密，因此學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大.為了培養(yǎng)大學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力、工程應(yīng)用能力和綜合創(chuàng)新思想，以浙江天煌教儀的TKKL－1型控制理論電子模擬實(shí)驗(yàn)箱和THBDC－2型控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，研究出一種將以Matlab仿真和模擬電路為主的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和以實(shí)際應(yīng)用對(duì)象為主的綜合實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，通過(guò)周密設(shè)計(jì)與篩選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將學(xué)生獨(dú)立動(dòng)手和綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，使學(xué)生更好地掌握基礎(chǔ)理論知識(shí)，學(xué)以致用，為將來(lái)實(shí)際工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系由基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（包括Matlab軟件學(xué)習(xí)和模擬電路實(shí)驗(yàn)）和控制實(shí)際對(duì)象的綜合實(shí)驗(yàn)組成，參考浙江天煌教儀的TKKL－1型控制理論電子模擬實(shí)驗(yàn)箱和THBDC－2型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，本實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系包含的主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如圖1所示.

圖1 “控制工程基礎(chǔ)”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系框圖

1.1基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

MATLAB是控制系統(tǒng)極其重要的仿真軟件.Matlab軟件能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，可以快速、直觀地分析各類系統(tǒng)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能.Matlab仿真實(shí)驗(yàn)只需安裝有Matlab軟件的高性能計(jì)算機(jī).本實(shí)驗(yàn)體系中Matlab軟件學(xué)習(xí)包括Matlab基礎(chǔ)知識(shí)與操作、Matlab時(shí)域分析、Matlab頻域分析和Matlab的Simulink工具箱使用等.

由于機(jī)械、電氣、電子等各類系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的描述往往是相似的，因此自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目往往較易實(shí)現(xiàn).在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的模擬電路實(shí)驗(yàn)中，采用運(yùn)算放大器、不同阻值的電阻和不同大小的電容來(lái)模擬控制系統(tǒng)中的典型環(huán)節(jié)（比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、比例積分環(huán)節(jié)、比例微分環(huán)節(jié)、振蕩環(huán)節(jié)、比例積分微分環(huán)節(jié)等），并進(jìn)行時(shí)間響應(yīng)分析和頻率特性分析；再由多個(gè)典型環(huán)節(jié)組成高階系統(tǒng)，并進(jìn)行穩(wěn)定性分析、穩(wěn)態(tài)誤差分析和串聯(lián)校正等.

模擬電路的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主要有兩種方案［2］，一種是使用傳統(tǒng)儀器的實(shí)驗(yàn)方案，一般包括模擬電路實(shí)驗(yàn)箱（如天煌教儀TKKL－1型控制理論電子模擬實(shí)驗(yàn)箱）、雙蹤低頻慢掃描示波器和萬(wàn)用表.模擬電路實(shí)驗(yàn)箱主要包括實(shí)驗(yàn)?zāi)K（運(yùn)算放大器、電阻、電容等）、±15V和±5V直流穩(wěn)壓電源、掃頻電源、交＼直流數(shù)字電壓表、信號(hào)源（階躍信號(hào)發(fā)生器和低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器）、頻率計(jì)等.這種實(shí)驗(yàn)方案需要學(xué)習(xí)雙蹤低頻慢掃描示波器的使用，并且需要人工讀取數(shù)據(jù)和繪制響應(yīng)曲線，這樣有可能導(dǎo)致一些數(shù)據(jù)誤差和準(zhǔn)確度不高，另外，完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目花費(fèi)的時(shí)間較多.另一種是使用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)結(jié)合模擬電路的實(shí)驗(yàn)方案，一般包括模擬實(shí)驗(yàn)箱、數(shù)據(jù)采集部分、計(jì)算機(jī)等（如天煌教儀THBDC－2型控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)）.其中，實(shí)驗(yàn)箱包括直流穩(wěn)壓電源、低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、階躍信號(hào)發(fā)生器、低頻頻率計(jì)、交／直流數(shù)字電壓表等；數(shù)據(jù)采集部分采用實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)上常用的USB數(shù)據(jù)采集卡；計(jì)算機(jī)軟件具有虛擬示波器、AD參數(shù)設(shè)置、Bode圖、信號(hào)發(fā)生器、腳本編程器、實(shí)驗(yàn)報(bào)告生成器等多種功能.該實(shí)驗(yàn)方案將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法與計(jì)算機(jī)結(jié)合起來(lái)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的特性分析和曲線繪制等.該實(shí)驗(yàn)方案操作更簡(jiǎn)單、分析更準(zhǔn)確，而且實(shí)驗(yàn)方案配置靈活、便于擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、又能節(jié)約測(cè)量?jī)x器設(shè)備等.

1.2綜合實(shí)驗(yàn)

為了將本課程實(shí)驗(yàn)與工程實(shí)際應(yīng)用緊密聯(lián)系，綜合實(shí)驗(yàn)中主要以直流電機(jī)和單容水箱系統(tǒng)作為實(shí)際控制對(duì)象，通過(guò)分析系統(tǒng)工作原理，設(shè)計(jì)PID控制器的三個(gè)參數(shù)，編寫控制程序，連接硬件線路，調(diào)試控制系統(tǒng)等完成控制實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Matlab仿真結(jié)果進(jìn)行比較.綜合實(shí)驗(yàn)鍛煉了學(xué)生獨(dú)立動(dòng)手能力、工程應(yīng)用能力和綜合創(chuàng)新思想，并且進(jìn)一步加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解和掌握，也提高了學(xué)生對(duì)機(jī)械、電氣、檢測(cè)等多學(xué)科知識(shí)的綜合.下面重點(diǎn)介紹一下兩個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.

直流電機(jī)的調(diào)速方法有很多，一是調(diào)節(jié)電樞電壓，二是調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流.而常見的微型直流電機(jī)，其磁場(chǎng)都是固定的，不可調(diào)的永磁體，所以只好調(diào)節(jié)電樞電壓.調(diào)節(jié)電樞電壓常用的方法有可控硅調(diào)壓法和脈沖寬度調(diào)制法（PWM），本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用PWM法.功率放大器是直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的一個(gè)重要元件，本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用晶體管功率放大器.PWM功率放大器具有功耗低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，并且有利于克服直流電機(jī)的靜摩擦等.由于直流電機(jī)PWM輸出信號(hào)比較小，通過(guò)連接一15V直流電壓功放電路，再連接到直流電機(jī)兩端，達(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)目的.直流電機(jī)系統(tǒng)反饋信號(hào)（即電機(jī)轉(zhuǎn)速）是通過(guò)霍爾傳感器感應(yīng)直流電機(jī)軸上粘貼的一塊小磁鋼獲得.當(dāng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其磁鋼也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，從而下方的霍爾傳感器獲得其轉(zhuǎn)速.直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)原理如圖2所示，由霍耳傳感器將直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送入計(jì)算機(jī)與設(shè)定的給定值比較，按偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）組合而成的數(shù)字控制規(guī)律，然后經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬控制量，供執(zhí)行器來(lái)控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速.

圖2 直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)框圖

單容水箱液位定值控制系統(tǒng)的控制對(duì)象為一階單容水箱，主要的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為單容水箱液位定值控制.其執(zhí)行機(jī)構(gòu)為微型直流水泵，正常工作電壓為24V.直流微型水泵控制方式主要有調(diào)壓控制以及PWM控制，在本實(shí)驗(yàn)中采用PWM控制直流微型水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單容水箱液位的定值控制.PWM調(diào)制與晶體管功率放大器的工作原理與直流電機(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相同.控制器仍然采用PID控制器，數(shù)字PID控制規(guī)律經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬控制量.單容水箱液位高精度定值控制系統(tǒng)一般采用電流傳感器，在本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，在反饋輸出端串聯(lián)一定阻值電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，以便于測(cè)量與觀察反饋信號(hào).水箱液位與電壓信號(hào)之間存在一個(gè)線性關(guān)系.單容水箱液位控制系統(tǒng)方框圖如圖3所示.

圖3 單容水箱液位控制系統(tǒng)框圖

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的實(shí)施策略

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系采用必做、選做、課外開放的三位一體實(shí)施策略.在每次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，都要求學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，并在平時(shí)加強(qiáng)學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)仿真軟件Matlab語(yǔ)言和Simulink工具箱［3］.

在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)施中，采用傳統(tǒng)儀器的實(shí)驗(yàn)方案和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)結(jié)合模擬電路的實(shí)驗(yàn)方案相結(jié)合.傳統(tǒng)儀器的實(shí)驗(yàn)方案重點(diǎn)完成典型環(huán)節(jié)的電路模擬和一、二階系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)分析，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)結(jié)合模擬電路的實(shí)驗(yàn)方案重點(diǎn)完成穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差、頻域特性、串聯(lián)校正等的分析.考慮到課堂實(shí)驗(yàn)課時(shí)的限制，加之傳統(tǒng)儀器的實(shí)驗(yàn)方案完成二階和高階系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)分析花費(fèi)時(shí)間較多，因此可將此部分實(shí)驗(yàn)作為開放性實(shí)驗(yàn)，讓有精力的學(xué)生課后完成.

控制實(shí)際對(duì)象的綜合實(shí)驗(yàn)采用課堂選做和課外開放結(jié)合的方式實(shí)施.將直流電機(jī)、單容水箱等作為應(yīng)用實(shí)例貫穿整個(gè)教學(xué)課程，指導(dǎo)學(xué)生分階段完成被控系統(tǒng)的建模及分析、控制器設(shè)計(jì)、控制參數(shù)影響分析及調(diào)整等，提高學(xué)生的綜合能力.

實(shí)施的過(guò)程中，把學(xué)生分為幾個(gè)研究小組，跟隨課程的學(xué)習(xí)進(jìn)度依次完成直流電機(jī)、單容水箱等被控對(duì)象的理論建模和性能分析，并完成控制器的設(shè)計(jì).在課后，以小組為單位，預(yù)約時(shí)間，熟悉直流電機(jī)、單容水箱等控制系統(tǒng)的組成，在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)自行設(shè)計(jì)的PID控制算法，并分析P、I、D控制參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的影響等.

直流電機(jī)系統(tǒng)和單容水箱系統(tǒng)均可采用天煌教儀的THBDC－2控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和單容水箱液位定值控制系統(tǒng).

3 結(jié)論

闡述了一種“控制工程基礎(chǔ)”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系.該實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系包括以Matlab仿真和模擬電路為主的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和以實(shí)際應(yīng)用對(duì)象為主的綜合實(shí)驗(yàn)，兼顧傳統(tǒng)儀器實(shí)驗(yàn)方案和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)方案，同時(shí)該體系實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目容易擴(kuò)展，能夠?qū)⒒A(chǔ)理論知識(shí)和實(shí)際工程應(yīng)用有效結(jié)合，也可將最新的控制理論和技術(shù)用于實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以實(shí)現(xiàn)將學(xué)生培養(yǎng)成滿足社會(huì)需要的卓越工程師的目標(biāo).

［1］彭珍瑞，董海棠.控制工程基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2010.

［2］Guo H，Li Y.Discussion on themulti－level experimental teaching method of the course ofmechanical control engineering fundamental［A］.Proceedings of2010 Third International Conference on Education Technology and Training［C］.Wuhan，2010.

［3］汪寧，郭西進(jìn).MATLAB與控制理論實(shí)驗(yàn)教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

Study on the Experimental Teaching System of the Course of Control Engineering Fundamental

LIANG Liang，DUAN Xiangping，ZHU Zongming
（Department of Mechanical＆Electrical Engineering，Changsha University，Changsha Hunan 410022，China）

In order to better learn the basic theory of the course of control engineering fundamental and enhance the curriculum practice，based on the electronic simulation experiment box and computer control experiment platform of Tianhuang Company，an experimental teaching system is proposed.The system includes the basic experiment of Matlab simulations and analog circuits and the comprehensive experiment of object－oriented practical application.And the experimental platform constitutes，the experimental project contents and the implementation strategy of the experimental teaching system are introduced.The teaching practice shows that the proposed experimental teaching system is clearly structured，less demanding and easy to implement，and it has a good teaching effect.

control engineering fundamental；experimental teaching system；implementation strategy

G423

A

1008－4681（2014）02－0124－03

（作者本人校對(duì)）

2014－02－19

湖南省教研教改課題（湘教通［2013］223號(hào)－473）.

梁亮（1977－），男，湖南株洲人，長(zhǎng)沙大學(xué)機(jī)電工程系副教授，博士.研究方向：管道機(jī)器人建模與控制、流體流場(chǎng)分析.