《控制工程基礎(chǔ)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性，并利用TAP-II儀器對典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生利用已學(xué)理論對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入Matlab。達(dá)到了使學(xué)生理論和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)TAP-IIMatlab

1概述

在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的進(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)速的飛球控制器到為火箭和空間探測器設(shè)計(jì)出來的復(fù)雜和高精度的控制系統(tǒng)，自動控制技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了社會經(jīng)濟(jì)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]?？刂乒こ袒A(chǔ)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化、機(jī)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(yīng)、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)誤差、頻率響應(yīng)和控制系統(tǒng)的校正等主要內(nèi)容，理論性較強(qiáng)，計(jì)算量大、涉及到的知識面廣。

2控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前，本科院校的機(jī)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(qiáng)，學(xué)生理解起來比較吃力，因此該課程都設(shè)有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在幫助學(xué)生正確理解控制工程的基本概念、理論聯(lián)系實(shí)際，提高學(xué)習(xí)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(xué)等諸多因素的限制，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不能很好的發(fā)揮上述作用。隨著新一輪教學(xué)計(jì)劃的調(diào)整，大幅度削減學(xué)時，實(shí)驗(yàn)學(xué)時少之又少，能完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目非常有限。目前該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是在實(shí)驗(yàn)箱上完成的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。以作者所在學(xué)校為例，介紹一下控制工程實(shí)驗(yàn)的基本情況?？刂乒こ虒?shí)驗(yàn)?zāi)壳笆褂玫氖乔迦A大學(xué)科教儀器廠生產(chǎn)的TAP-II型控制理論模擬實(shí)驗(yàn)裝置，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

TAP-II型控制理論模擬實(shí)驗(yàn)裝置由計(jì)算機(jī)、A/D/A接口板、模擬實(shí)驗(yàn)臺和打印機(jī)組成。

計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)的控制、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示、儲存和恢復(fù)功能，還可以根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生各種輸出信號；模擬實(shí)驗(yàn)臺是被控對象，臺上共有運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)臺下面的實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)臺之間必不可少的橋梁；打印機(jī)可根據(jù)需要進(jìn)行連接，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖形作硬拷貝[2]。由于學(xué)時限制，本門課程開設(shè)了兩個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和系統(tǒng)的頻率特性測量。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器的利用率較低，如何提高實(shí)驗(yàn)儀器的利用率，更好的發(fā)揮實(shí)驗(yàn)儀器的作用，也是今后實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的內(nèi)容之一。

目前，實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)投入不足，儀器設(shè)備利用率低，學(xué)時少，教師和學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的精力投入不夠等因素導(dǎo)致了目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量不高，學(xué)生興趣不濃，實(shí)驗(yàn)教學(xué)很難真正提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，從而很難實(shí)現(xiàn)對理論教學(xué)的驗(yàn)證，更好的實(shí)現(xiàn)理論實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)。

3實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究

3.1傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革

TAP-II控制理論模擬實(shí)驗(yàn)裝置，提供十二個模塊、六個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在之前的教學(xué)中，只選用了其中兩個為例作實(shí)驗(yàn)。對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的改革主要是根據(jù)課程要求，把實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置成必做實(shí)驗(yàn)，選做實(shí)驗(yàn)和自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。其中必做實(shí)驗(yàn)為根據(jù)理論課要求，學(xué)生必須完成的項(xiàng)目。選做實(shí)驗(yàn)是教師提供多個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)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(shí)驗(yàn)是由實(shí)驗(yàn)教師提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，學(xué)生據(jù)此完成即可。自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，自行編寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，根據(jù)TAP-II提供的十二個模塊自行選擇，設(shè)計(jì)完成實(shí)驗(yàn)。通過設(shè)置實(shí)驗(yàn)的不同類型，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，更好的發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用。如表所示為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目類型列表：

3.2實(shí)驗(yàn)方式、考核方式的改革

實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常是理論教學(xué)講到相應(yīng)內(nèi)容時，安排相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生根據(jù)教師安排統(tǒng)一完成實(shí)驗(yàn)。完成實(shí)驗(yàn)的時間相對固定，學(xué)生跟著老師的指揮棒走，很難有自己獨(dú)立思考的時間，學(xué)生興趣不高，只是按部就班完成任務(wù)而已。實(shí)驗(yàn)考核方式單一，根據(jù)實(shí)驗(yàn)報告及實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)給出成績，占該課程成績的10%，實(shí)驗(yàn)做得好與不好，折合到總成績里相差不大，這也是學(xué)生不認(rèn)真完成實(shí)驗(yàn)的原因之一。

鑒于以上情況，本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革嘗試著實(shí)驗(yàn)單獨(dú)設(shè)課，成績獨(dú)立計(jì)算，不再依附于該門課程。建立開放實(shí)驗(yàn)，也是實(shí)驗(yàn)方式改革的重要內(nèi)容。在時間上對學(xué)生開放，學(xué)生可在規(guī)定時間內(nèi)，自行選擇時間完成實(shí)驗(yàn)，完成一個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的時間不予規(guī)定。實(shí)驗(yàn)儀器對全部學(xué)生開放。

3.3計(jì)算機(jī)仿真的引入

實(shí)驗(yàn)箱上提供的模塊和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(xué)生的實(shí)際動手能力和創(chuàng)新能力。利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行輔助控制系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，這樣既節(jié)省了實(shí)驗(yàn)設(shè)備和資金，又創(chuàng)造出一個適合于個體教學(xué)，利于因材施教，啟發(fā)思維，靈活機(jī)動的學(xué)習(xí)環(huán)境，并能夠充分調(diào)動學(xué)生的積極性[3]。

Matlab是一款非常優(yōu)秀的計(jì)算機(jī)仿真軟件，非常適合應(yīng)用于控制工程基礎(chǔ)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中。Matlab是MathWork公司于1984年推出的程序設(shè)計(jì)語言，由于其超強(qiáng)的數(shù)值運(yùn)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(yīng)用也得到很大發(fā)展。在科學(xué)研究、高等學(xué)校以及工程技術(shù)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。將Matlab仿真軟件應(yīng)用于控制工程基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以增加實(shí)驗(yàn)儀器無法完成的仿真實(shí)驗(yàn)，利用其強(qiáng)大的仿真功能，可以容易的實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)儀器同樣的效果。

Matlab在控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用有三種形式，第一種是直接利用Matlab豐富的指令直接進(jìn)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(fù)雜一些的也可利用M文件的編程實(shí)現(xiàn)。此種形式的應(yīng)用簡單易學(xué)，仿真結(jié)果直觀明了。第二種是利用Simulink來實(shí)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(jì)環(huán)境，是實(shí)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(yīng)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(jìn)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(biāo)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。利用Matlab的GUI界面，可以實(shí)現(xiàn)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)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(xué)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(shí)驗(yàn)教學(xué)對于提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，鍛煉學(xué)生動手能力以及培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力都具有重要意義。本文從實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)方式及考核方式和仿真軟件的應(yīng)用三方面對控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)行了探討。圍繞著如何提高教學(xué)質(zhì)量、增強(qiáng)學(xué)生在未來就業(yè)中的競爭力，全面提高學(xué)生的素質(zhì)而展開的一系列教學(xué)改革中非常關(guān)鍵的一環(huán)就是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，全面提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力，以適應(yīng)快速發(fā)展的社會環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]TAP-II實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，清華大學(xué)科教儀器廠.

[3]王偉，申愛明.《控制工程基礎(chǔ)》課程教學(xué)改革研究與探索.

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

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