梁 亮，段想平，朱宗銘

“控制工程基礎(chǔ)”課程實驗教學研究*

梁 亮，段想平，朱宗銘

（長沙大學機電工程系，湖南長沙410022）

為了更好掌握“控制工程基礎(chǔ)”課程基礎(chǔ)理論知識、加強課程實踐環(huán)節(jié)，以天煌教儀控制理論電子模擬實驗箱和計算機控制技術(shù)實驗平臺為基礎(chǔ)，提出一種將以Matlab仿真和模擬電路為主的基礎(chǔ)實驗和以實際應(yīng)用對象為主的綜合實驗相結(jié)合的實驗教學體系，并介紹了實驗平臺的構(gòu)成、實驗項目內(nèi)容和實驗教學體系的實施策略.實踐教學表明，所提出的實驗教學體系層次分明，設(shè)備要求不高，易于實現(xiàn)，教學效果良好.

控制工程基礎(chǔ)；實驗教學體系；實施策略

“控制工程基礎(chǔ)”是高等院校機械設(shè)計制造及其自動化、機械電子、電氣自動化、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］.本課程重點講授控制系統(tǒng)分析和設(shè)計所需的基礎(chǔ)理論和方法，主要包括系統(tǒng)數(shù)學模型的建立、系統(tǒng)時域響應(yīng)分析、系統(tǒng)頻域特性分析和系統(tǒng)的設(shè)計與校正等內(nèi)容.學習和掌握本課程的核心內(nèi)容后，學生將可以在不同的空間自由分析和改進控制系統(tǒng)的性能和品質(zhì)，并可以根據(jù)實際需要，創(chuàng)新性的設(shè)計控制系統(tǒng)并加以實現(xiàn).

本課程理論性強、數(shù)學要求高、內(nèi)容抽象，在教學過程中，理論課時所在比例大，實驗課時較少，理論和實際應(yīng)用結(jié)合不緊密，因此學生學習難度較大.為了培養(yǎng)大學生動手實踐能力、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驗箱和THBDC－2型控制理論·計算機控制技術(shù)實驗平臺為基礎(chǔ)，研究出一種將以Matlab仿真和模擬電路為主的基礎(chǔ)實驗和以實際應(yīng)用對象為主的綜合實驗相結(jié)合的實驗教學體系，通過周密設(shè)計與篩選實驗項目，將學生獨立動手和綜合創(chuàng)新能力的培養(yǎng)融入到實驗教學過程中，使學生更好地掌握基礎(chǔ)理論知識，學以致用，為將來實際工作打下堅實基礎(chǔ).

1 實驗教學體系設(shè)計

本實驗教學體系由基礎(chǔ)實驗（包括Matlab軟件學習和模擬電路實驗）和控制實際對象的綜合實驗組成，參考浙江天煌教儀的TKKL－1型控制理論電子模擬實驗箱和THBDC－2型計算機控制技術(shù)實驗平臺實驗指導書，本實驗教學體系包含的主要實驗項目如圖1所示.

圖1 “控制工程基礎(chǔ)”課程實驗教學體系框圖

1.1基礎(chǔ)實驗

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)對控制系統(tǒng)進行分析和設(shè)計，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仿真實驗只需安裝有Matlab軟件的高性能計算機.本實驗體系中Matlab軟件學習包括Matlab基礎(chǔ)知識與操作、Matlab時域分析、Matlab頻域分析和Matlab的Simulink工具箱使用等.

由于機械、電氣、電子等各類系統(tǒng)數(shù)學模型的描述往往是相似的，因此自動控制系統(tǒng)的實驗項目往往較易實現(xiàn).在基礎(chǔ)實驗的模擬電路實驗中，采用運算放大器、不同阻值的電阻和不同大小的電容來模擬控制系統(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），并進行時間響應(yīng)分析和頻率特性分析；再由多個典型環(huán)節(jié)組成高階系統(tǒng)，并進行穩(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)實驗主要有兩種方案［2］，一種是使用傳統(tǒng)儀器的實驗方案，一般包括模擬電路實驗箱（如天煌教儀TKKL－1型控制理論電子模擬實驗箱）、雙蹤低頻慢掃描示波器和萬用表.模擬電路實驗箱主要包括實驗模塊（運算放大器、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、信號源（階躍信號發(fā)生器和低頻函數(shù)信號發(fā)生器）、頻率計等.這種實驗方案需要學習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，這樣有可能導致一些數(shù)據(jù)誤差和準確度不高，另外，完成實驗項目花費的時間較多.另一種是使用計算機控制技術(shù)結(jié)合模擬電路的實驗方案，一般包括模擬實驗箱、數(shù)據(jù)采集部分、計算機等（如天煌教儀THBDC－2型控制理論·計算機控制技術(shù)實驗平臺）.其中，實驗箱包括直流穩(wěn)壓電源、低頻函數(shù)信號發(fā)生器、階躍信號發(fā)生器、低頻頻率計、交／直流數(shù)字電壓表等；數(shù)據(jù)采集部分采用實驗室或工業(yè)上常用的USB數(shù)據(jù)采集卡；計算機軟件具有虛擬示波器、AD參數(shù)設(shè)置、Bode圖、信號發(fā)生器、腳本編程器、實驗報告生成器等多種功能.該實驗方案將傳統(tǒng)的實驗方法與計算機結(jié)合起來，運用計算機來實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的特性分析和曲線繪制等.該實驗方案操作更簡單、分析更準確，而且實驗方案配置靈活、便于擴展實驗項目、又能節(jié)約測量儀器設(shè)備等.

1.2綜合實驗

為了將本課程實驗與工程實際應(yīng)用緊密聯(lián)系，綜合實驗中主要以直流電機和單容水箱系統(tǒng)作為實際控制對象，通過分析系統(tǒng)工作原理，設(shè)計PID控制器的三個參數(shù)，編寫控制程序，連接硬件線路，調(diào)試控制系統(tǒng)等完成控制實驗，并將實驗結(jié)果與Matlab仿真結(jié)果進行比較.綜合實驗鍛煉了學生獨立動手能力、工程應(yīng)用能力和綜合創(chuàng)新思想，并且進一步加強了學生對基礎(chǔ)理論知識的理解和掌握，也提高了學生對機械、電氣、檢測等多學科知識的綜合.下面重點介紹一下兩個綜合實驗項目.

直流電機的調(diào)速方法有很多，一是調(diào)節(jié)電樞電壓，二是調(diào)節(jié)勵磁電流.而常見的微型直流電機，其磁場都是固定的，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），本實驗項目采用PWM法.功率放大器是直流電機調(diào)速系統(tǒng)中的一個重要元件，本實驗項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，并且有利于克服直流電機的靜摩擦等.由于直流電機PWM輸出信號比較小，通過連接一15V直流電壓功放電路，再連接到直流電機兩端，達到驅(qū)動電機目的.直流電機系統(tǒng)反饋信號（即電機轉(zhuǎn)速）是通過霍爾傳感器感應(yīng)直流電機軸上粘貼的一塊小磁鋼獲得.當直流電機轉(zhuǎn)動時，其磁鋼也隨之轉(zhuǎn)動，從而下方的霍爾傳感器獲得其轉(zhuǎn)速.直流電機調(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的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，送入計算機與設(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)行器來控制直流電機轉(zhuǎn)速.

圖2 直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)框圖

單容水箱液位定值控制系統(tǒng)的控制對象為一階單容水箱，主要的實驗項目為單容水箱液位定值控制.其執(zhí)行機構(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，在本實驗中采用PWM控制直流微型水泵的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)對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實驗項目相同.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，在本實驗項目中，在反饋輸出端串聯(lián)一定阻值電阻，將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，以便于測量與觀察反饋信號.水箱液位與電壓信號之間存在一個線性關(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 實驗教學體系的實施策略

本實驗教學體系采用必做、選做、課外開放的三位一體實施策略.在每次進行實驗之前，都要求學生完成實驗預習，并在平時加強學習控制系統(tǒng)仿真軟件Matlab語言和Simulink工具箱［3］.

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

控制實際對象的綜合實驗采用課堂選做和課外開放結(jié)合的方式實施.將直流電機、單容水箱等作為應(yīng)用實例貫穿整個教學課程，指導學生分階段完成被控系統(tǒng)的建模及分析、控制器設(shè)計、控制參數(shù)影響分析及調(diào)整等，提高學生的綜合能力.

實施的過程中，把學生分為幾個研究小組，跟隨課程的學習進度依次完成直流電機、單容水箱等被控對象的理論建模和性能分析，并完成控制器的設(shè)計.在課后，以小組為單位，預約時間，熟悉直流電機、單容水箱等控制系統(tǒng)的組成，在實驗中實現(xiàn)自行設(shè)計的PID控制算法，并分析P、I、D控制參數(shù)對控制系統(tǒng)的影響等.

直流電機系統(tǒng)和單容水箱系統(tǒng)均可采用天煌教儀的THBDC－2控制理論·計算機控制技術(shù)實驗平臺中的單閉環(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)”課程的實驗教學體系.該實驗教學體系包括以Matlab仿真和模擬電路為主的基礎(chǔ)實驗和以實際應(yīng)用對象為主的綜合實驗，兼顧傳統(tǒng)儀器實驗方案和計算機控制技術(shù)實驗方案，同時該體系實驗項目容易擴展，能夠?qū)⒒A(chǔ)理論知識和實際工程應(yīng)用有效結(jié)合，也可將最新的控制理論和技術(shù)用于實驗項目，可以實現(xiàn)將學生培養(yǎng)成滿足社會需要的卓越工程師的目標.

［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.MATLAB與控制理論實驗教程［M］.北京：機械工業(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）

2014－02－19

湖南省教研教改課題（湘教通［2013］223號－473）.

梁亮（1977－），男，湖南株洲人，長沙大學機電工程系副教授，博士.研究方向：管道機器人建模與控制、流體流場分析.