機械工程控制基礎的多層次實驗教學體系改革

郭艷婕， 王詩彬， 楊立娟， 李小虎

（西安交通大學機械工程學院，西安710049）

0 引 言

機械工程控制基礎是機械工程類專業(yè)人才培養(yǎng)方案中的一門專業(yè)必修課，旨在培養(yǎng)學生運用科學方法和工具來解決機械工程基本問題的系統(tǒng)分析設計能力、綜合創(chuàng)新能力，是培養(yǎng)機電交叉人才的重要一環(huán)［1-2］。機械工程控制基礎是一門交叉學科互相融合的課程，將控制與數(shù)理基礎、工程基礎和經(jīng)濟管理等知識相結(jié)合，綜合應用于解決復雜機械工程問題。本課程內(nèi)容抽象、知識點多，學生在學習機械工程控制基礎課程的過程中，普遍存在對控制的基本概念和物理含義理解不透徹，對控制的基本方法和手段掌握不熟練，難以在短時間內(nèi)完成將理論知識應用到實物上等問題［3-5］。因此，對機械工程控制實驗教學體系進行了改革，構建了多層次實驗教學體系，通過相應的機械工程控制基礎實驗和實踐過程，幫助學生更好地理解該課程的基本知識和概念，熟練掌握系統(tǒng)的表達方法，提高學生運用控制的方法來分析、解決問題的手段，充分提高分析和解決控制問題能力，培養(yǎng)學生開展與控制技術相關的分析設計、綜合創(chuàng)新意識和能力。

1 多層次實驗教學改革思路

目前我校機械工程類學生多為重“機”輕“電”，機械方面知識非常全面，熟悉機械設計、制造等各個環(huán)節(jié)，但是對于電類知識，學生僅僅了解相關知識，并不能在實際中將機械與電控有效地結(jié)合起來。

機械工程控制基礎的層次化實驗是指根據(jù)課程的教學要求、實驗的教學定位，結(jié)合學生的能力和興趣，將實驗劃分為三層次：基礎性實驗，綜合性實驗，創(chuàng)新性實驗。其中基礎性實驗注重學生對基礎知識、基本概念的理解，并且培養(yǎng)學生對機械控制的意識。綜合性實驗注重學生運用控制理論的方法分析、解決問題的能力。創(chuàng)新性實驗注重學生開展控制技術應用到實際的機械對象上的創(chuàng)新意識、探索精神和實踐能力。創(chuàng)新實驗作為學生將自動化器件與機械控制理論與被控機械對象相結(jié)合的關鍵實踐環(huán)節(jié)，可以有效地將機械與電控結(jié)合起來，培養(yǎng)學生根據(jù)實際需求分析并選擇合理的自動化器件，編寫典型的測量與控制方案，進行自動化系統(tǒng)的“舉一反三”的類比設計、“創(chuàng)新組合”的新產(chǎn)品開發(fā)設計以及“功能齊全”的、滿足實際要求的工程設計，最終實現(xiàn)機械與電控之間結(jié)合。

2 機械工程控制基礎實驗教學體系

2.1 教學目標

機械工程控制基礎實驗教學目標是使學生運用控制論的基本理論和基本方法，分析研究機械系統(tǒng)的信息傳遞與反饋和系統(tǒng)的控制性能，培養(yǎng)學生判別系統(tǒng)穩(wěn)定性和變更系統(tǒng)參數(shù)以改善系統(tǒng)性能的分析與綜合能力。課程目標包括以下3個方面：

（1）掌握機械控制系統(tǒng)的基本概念和組成原理，具備自動控制原理與系統(tǒng)的基礎概念；掌握典型機電傳動單元與系統(tǒng)的數(shù)學建模方法；掌握機電系統(tǒng)的時域和頻域分析設計校正方法。

（2）培養(yǎng)學生對機械工程控制中復雜問題的分析和對復雜機械控制系統(tǒng)進行分析、設計的能力，并能夠采用相關軟件進行模擬仿真，能夠構建實驗控制系統(tǒng)進行分析研究，具有研究和解決機械控制工程問題的能力。

（3）初步了解機械系統(tǒng)常用的控制方法，以及現(xiàn)代控制和智能控制的原理，了解機械控制理論的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。培養(yǎng)學生運用機械控制工程領域新技術新方法對復雜機械工程中的系統(tǒng)控制問題進行理論分析、實驗研究的能力。

該實驗分為基礎性、綜合性和創(chuàng)新性三層次實驗教學體系，其中基礎性實驗和綜合性實驗為必做實驗，要求學習機械工程控制基礎的學生必須完成這兩個層次的實驗，而且必須達到規(guī)定的實驗要求。

（1）基礎性實驗的目標。通過完成控制基礎實驗，能夠加深對控制基本概念的理解，熟悉不同系統(tǒng)的時域響應曲線及常見的控制算法，理解控制響應的衡量標準，掌握調(diào)節(jié)控制參數(shù)基本規(guī)律［6-8］。

（2）綜合性實驗的目標。建立實際控制系統(tǒng)的理論模型，應用根軌跡對理論模型進行分析。通過根軌跡對理論模型進行分析，選取控制參數(shù)，進一步搭建仿真模型和實物控制模型，通過仿真與實物對比，不同參數(shù)之間對比驗證控制算法，從而讓學生掌握控制中常用的控制方法，為控制技術的工程應用打下基礎［9-10］。

（3）開放創(chuàng)新性實驗目標。學生根據(jù)自己的能力和興趣，結(jié)合工程問題或者生活實際自行擬定實驗對象，提出控制方案，并開發(fā)實驗控制對象裝置和方法，實現(xiàn)預期功能。通過開放性實驗讓學生靈活掌握控制方法的應用，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識［11］。

2.2 實驗教學內(nèi)容體系

機械控制層次化實驗教學內(nèi)容體系由基礎性、綜合性、創(chuàng)新性實驗組成，其實驗內(nèi)容如圖1所示。

圖1 多層次機械工程控制基礎實驗教學體系

基礎性實驗內(nèi)容以驗證性實驗為主，了解不同系統(tǒng)參數(shù)下時域響應曲線特性；認識不同系統(tǒng)的頻域特性不同；了解PID參數(shù)對控制系統(tǒng)的影響。

綜合性實驗需要結(jié)合不同的對象，能夠正確地建立系統(tǒng)的數(shù)學模型及傳遞函數(shù)，掌握根軌跡法，可以根據(jù)根軌跡法確定系統(tǒng)的控制參數(shù)，搭建系統(tǒng)的仿真模型進行仿真控制，并與實際控制結(jié)果進行對比分析。

創(chuàng)新性實驗是以學生自行擬定實驗對象，結(jié)合工程技術問題或生活實際等，自行設計實驗方案，針對不同機械對象進行分析研究，通過傳感器、單片機、加工等技術應用控制方法達成實驗目標，完成實驗項目。

本實驗中，基礎性實驗學時為每個實驗2學時，學生為必做實驗，綜合性實驗為4學時，學生選做2個，創(chuàng)新性實驗為課外學時，學生可以在學有余力情況下，結(jié)合自身需求，選做實驗。

3 多層次實驗教學實踐探索

近5年來，對機械工程控制基礎多層次實驗教學進行了初步實踐探索，取得了較好的成效，讓學生對機械工程控制基礎有了基本認識。

3.1 基礎性實驗

控制系統(tǒng)的各個典型環(huán)節(jié)的動態(tài)模擬仿真是一項控制基礎實驗，學生采用機械工程控制基礎課程實驗軟件模擬仿真系統(tǒng)特性。學生通過這項控制基礎實驗，可以深刻理解控制系統(tǒng)中不同的參數(shù)選取對系統(tǒng)穩(wěn)定性等參數(shù)影響很大［12-15］。圖2所示為采用實驗軟件模擬仿真一階系統(tǒng)的階次響應實驗結(jié)果。本實驗為時域響應、頻域特性仿真實驗。圖2中設計的實驗軟件模擬傳遞系統(tǒng)的時域響應，同時可見系統(tǒng)的伯德圖、奈奎斯特圖和根軌跡曲線，通過虛擬仿真學生可以實際了解不同傳遞函數(shù)下對系統(tǒng)的影響，通過圖像直觀了解超調(diào)量、上升時間、調(diào)整時間、峰值時間、穩(wěn)態(tài)誤差、幅值與相位裕度等概念。

圖2 實驗軟件模擬仿真一階系統(tǒng)的階次響應實驗結(jié)果

3.2 綜合性實驗

以基于球桿系統(tǒng)的根軌跡綜合實驗為例，球桿系統(tǒng)作為典型的不穩(wěn)定系統(tǒng)，如果不能進行有效的控制，小球不能穩(wěn)定運動。綜合性實驗是在系統(tǒng)分析的基礎上，建立傳遞函數(shù)，通過對系統(tǒng)的根軌跡分析，確定系統(tǒng)的控制參數(shù)，實現(xiàn)球桿系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。綜合性實驗需要學生通過評價控制系統(tǒng)（如超調(diào)量、上升時間、調(diào)整時間等），應用滯后校正、超前校正、滯后—超前校正、PID校正等方式改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性［16-19］。

這項實驗流程如圖3所示，學生自行建立球桿系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，通過Matlab／Simulink軟件的應用，對系統(tǒng)進行分析，進一步根據(jù)課堂學習的控制算法，確定根軌跡的參數(shù)，最終達到球桿系統(tǒng)中小球能夠平穩(wěn)運動。

圖3 綜合性實驗流程

球桿實驗系統(tǒng)由電動機、橫桿、小球組成，電動機通過皮帶帶動輪盤旋轉(zhuǎn)，從而控制橫桿位置，讓小球在桿上左右滾動，其機械結(jié)構如圖4所示。

圖4 球桿系統(tǒng)機械結(jié)構本體

通過對球桿系統(tǒng)分析，可知球桿系統(tǒng)為典型的二階系統(tǒng)，形式直觀明了是典型的開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)。未加控制環(huán)節(jié)時，其根軌跡如圖5（a）所示，加入控制環(huán)節(jié)后，其根軌跡如圖5（b）所示，可見其增益量為2及對應的零點－1時，系統(tǒng)達到了穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 球桿系統(tǒng)不同控制狀態(tài)時的根軌跡

通過Simulink建立球桿系統(tǒng)的仿真控制框圖如圖6所示。

當加入控制環(huán)節(jié)時，通過圖5中根軌跡可以確定其增益為2時，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，此時系統(tǒng)的仿真控制框圖見圖6?？梢娤到y(tǒng)此時配置了開環(huán)零點－1，配置增益2，采用超前校正方式對系統(tǒng)進行了改善。

進一步對仿真控制結(jié)果與實際控制結(jié)果進行對比，具體數(shù)值如圖7所示，紅色為仿真結(jié)果，可見最終穩(wěn)定在0．25處，藍色為實際結(jié)果，可見穩(wěn)定在0．25左右，超調(diào)量較小，通過超前校正可以有效地實現(xiàn)預期功能。

圖6 球桿系統(tǒng)的仿真控制框圖

圖7 球桿系統(tǒng)仿真與實際控制對比

3.3 創(chuàng)新性實驗

創(chuàng)新性實驗的項目方案由學生結(jié)合自身的生活實際提出。引導學生對自己在生活實踐中感受到的不方便、不便利性的方面入手，從而有“改變”“優(yōu)化”的想法，繼而提出新的思路。實驗對象由學生自行擬定，在查閱文獻、綜合資料基礎上，自行設計實驗方案，通過細化實驗方案，具體實驗細節(jié)，最終將控制以傳感器和單片機為載體應用到項目中去。

以“自動澆花機”為例，學生在實際生活中發(fā)現(xiàn)盆栽澆水一般通過人工來實現(xiàn)，這樣容易造成水資源浪費，且澆水時間和澆水量因人而異，難以實現(xiàn)理想澆水。在查閱植物特性后，發(fā)現(xiàn)不同植物種植需要的土壤濕度、環(huán)境溫度不同，因此學生設計了自動澆花機，系統(tǒng)框圖如圖8所示，采用盆栽種類、土壤濕度、環(huán)境溫度等多種信息作為澆花過程的控制參數(shù)，利用單片機對有關參數(shù)進行了實時采集和控制，實現(xiàn)了澆花過程的科學、自動控制?？梢钥吹皆擁椖烤C合應用了機械控制技術、測試技術等知識，有效地鍛煉學生的創(chuàng)新能力和實踐能力。

圖8 自動澆花系統(tǒng)框圖

4 實驗教學方法

4.1 實驗環(huán)節(jié)設置

根據(jù)機械控制實驗的目標定位不同，實驗教學方法也不同。

（1）基礎實驗。主要在教師指導下，學生按照實驗指導書上的實驗步驟完成實驗，該實驗為必做實驗，難度較低，學生可以定性了解機械控制中相關知識點。這一層次實驗主要是針對控制中基礎理論知識。

（2）綜合實驗。該實驗具有一定的探索性，需要從建模到理論分析再到選取控制點，最后實物控制，共分為4步：①理論建模。本實驗要求學生結(jié)合基礎知識，對實物進行分析，建立理論模型，通過拉氏變換，形成開環(huán)傳遞函數(shù)；②理論分析。本實驗通過根軌跡，借助Matlab繪制根軌跡曲線圖，通過根軌跡選取開環(huán)零點，選取增益。并進一步通過Simulink仿真，對比控制前后、不同參數(shù)的仿真曲線區(qū)別，結(jié)合實物限制，選取合適的控制點；③實物控制。將第2步中選取的控制點應用到實物控制中，從而控制實物。對比不同控制參數(shù)下，實際響應曲線，理解控制系統(tǒng)的評價指標及其對應實物情況；④對比分析。本實驗將理論分析與實物結(jié)果進行對比，可以發(fā)現(xiàn)傳遞函數(shù)對實物的影響，同時也可通過不同的控制參數(shù)之間，進行結(jié)果對比。

（3）創(chuàng)新實驗。該實驗主要是針對實驗研究的對象，按照不同的功能和應用要求，設計實驗方案并加以論證，開發(fā)部分裝置或系統(tǒng)軟件，完成系統(tǒng)軟硬件集成調(diào)試，自主完成裝置的現(xiàn)場測試、數(shù)據(jù)采集和分析等。創(chuàng)新實驗的形式、內(nèi)容和方法都是開放的，學生可以根據(jù)自己的能力、專業(yè)興趣和學習時間，事先預約實驗時間。實驗設備一般都需要購買或者自行加工。這類實驗具有探索性和創(chuàng)新性。

4.2 實驗考核

基礎性實驗為定性實驗，對實驗問題的理解程度、獨立實驗操作能力、得到實驗結(jié)果的正確程度，能夠定性描述出控制問題。

綜合性實驗的考核采用過程考核的方式，實驗劃分為4部分，將每一部分根據(jù)學生完成情況進行分析。具體考核步驟與評分標準如表1所示。

創(chuàng)新實驗為開放式實驗，由于每組學生實驗類型不同，完成的功能各有千秋，因此評價指標并不能單一決定，該實驗在整體上首先需要對項目完成的難度進行區(qū)分，隨后對項目完成度進行評價，從而得到整體實驗成績。最后，根據(jù)每位組員貢獻度給出學生成績。

表1 綜合性實驗量規(guī)表

5 結(jié) 語

機械工程控制基礎是一門與實際結(jié)合緊密，但是又比較抽象的課程，通過實驗教學可以幫助學生掌握和加深理解機械控制課程知識。

基礎性實驗注重理解控制中基本概念、基本方法和基本評價參數(shù)，綜合性實驗注重學生運用控制理論的方法分析、解決問題的能力，建立理論與實物之間橋梁，創(chuàng)新性實驗注重將控制技術應用到實際的機械對象上。通過構建多層次機械控制實驗教學體系，克服了原有實驗模式的不足，改進了實驗教學形式方法和組織管理，逐步形成了完善的實驗教學體系。

同時針對多層次實驗教學體系，分別探索了不同層次實驗教學的方法及考評體系，將實驗考核過程化、具體化，在這一系列的實驗教學過程中，激發(fā)學生的學習興趣，增強了學生對機械控制的理解能力，提高了學生解決工程實踐問題的能力，開闊了視野，取得了良好的教學效果。