《控制工程基础》实验教学研究与探讨

张东辉 张兰娣 刘春东 梁建明

摘要：本文介绍了控制工程基础课程的性质和地位，分析了其实验教学的重要性，并利用TAP-II仪器对典型实验项目进行实验，学生利用已学理论对实验结果进行分析，并在实验教学中引入Matlab。达到了使学生理论和实验相结合、融会贯通全面掌握控制工程基础理论的目的。

关键词：控制工程基础实验教学TAP-IIMatlab

1概述

在科学技术发展的进程中，自动控制起着重要的作用。从首次在工业上用于控制蒸汽机转速的飞球控制器到为火箭和空间探测器设计出来的复杂和高精度的控制系统，自动控制技术的应用促进了社会经济的发展，而客观的社会需要又给自动控制理论的发展赋以动力[1]。控制工程基础是机械设计制造及其自动化、机械电子工程等专业的一门专业基础课，该课程涉及到传递函数、微分方程、时间响应、控制系统的稳定性、稳态误差、频率响应和控制系统的校正等主要内容，理论性较强，计算量大、涉及到的知识面广。

2控制工程基础实验教学现状分析

目前，本科院校的机械工程专业几乎都开设控制工程基础课程。该门课程理论性强，学生理解起来比较吃力，因此该课程都设有相应的实验教学，实验教学在帮助学生正确理解控制工程的基本概念、理论联系实际，提高学习兴趣等方面起到了非常重要的作用。但由于受师资力量、传统教学等诸多因素的限制，现有的实验仪器及实验项目不能很好的发挥上述作用。随着新一轮教学计划的调整，大幅度削减学时，实验学时少之又少，能完成的实验项目非常有限。目前该课程的实验教学都是在实验箱上完成的验证性实验。以作者所在学校为例，介绍一下控制工程实验的基本情况。控制工程实验目前使用的是清华大学科教仪器厂生产的TAP-II型控制理论模拟实验装置，其基本结构如图1所示。

TAP-II型控制理论模拟实验装置由计算机、A/D/A接口板、模拟实验台和打印机组成。

计算机负责实验的控制、实验数据的采集、分析、显示、储存和恢复功能，还可以根据不同的实验产生各种输出信号；模拟实验台是被控对象，台上共有运算放大器12个，与台上的其他电阻电容等元器件配合，可组成各种具有不同系统特性的实验对象，台上还有正弦、三角、方波等信号源作为备用信号发生器用；A/D/A板安装在模拟实验台下面的实验箱底板上，它起着模拟与数字信号之间的转换作用，是计算机与实验台之间必不可少的桥梁；打印机可根据需要进行连接，对实验数据、图形作硬拷贝[2]。由于学时限制，本门课程开设了两个实验项目，二阶系统的阶跃响应和系统的频率特性测量。在实验教学过程中，传统实验仪器的利用率较低，如何提高实验仪器的利用率，更好的发挥实验仪器的作用，也是今后实验教学改革的内容之一。

目前，实验经费投入不足，仪器设备利用率低，学时少，教师和学生对实验的精力投入不够等因素导致了目前实验教学质量不高，学生兴趣不浓，实验教学很难真正提高学生的动手能力和创新能力，从而很难实现对理论教学的验证，更好的实现理论实验相结合的教学。

3实验教学改革研究

3.1传统实验教学内容的改革

TAP-II控制理论模拟实验装置，提供十二个模块、六个实验项目。在之前的教学中，只选用了其中两个为例作实验。对传统实验教学内容的改革主要是根据课程要求，把实验项目设置成必做实验，选做实验和自主创新实验。其中必做实验为根据理论课要求，学生必须完成的项目。选做实验是教师提供多个实验项目，学生可根据自己兴趣自行选择其中一个或几个完成。必做和选做实验是由实验教师提供实验指导书，学生据此完成即可。自主创新实验是学生自行设计实验项目，自行编写实验指导书，根据TAP-II提供的十二个模块自行选择，设计完成实验。通过设置实验的不同类型，可以提高学生的学习兴趣和创新能力，更好的发挥实验教学的作用。如表所示为实验项目类型列表：

3.2实验方式、考核方式的改革

实验教学通常是理论教学讲到相应内容时，安排相应的实验项目，学生根据教师安排统一完成实验。完成实验的时间相对固定，学生跟着老师的指挥棒走，很难有自己独立思考的时间，学生兴趣不高，只是按部就班完成任务而已。实验考核方式单一，根据实验报告及实验表现给出成绩，占该课程成绩的10%，实验做得好与不好，折合到总成绩里相差不大，这也是学生不认真完成实验的原因之一。

鉴于以上情况，本次实验教学改革尝试着实验单独设课，成绩独立计算，不再依附于该门课程。建立开放实验，也是实验方式改革的重要内容。在时间上对学生开放，学生可在规定时间内，自行选择时间完成实验，完成一个实验项目的时间不予规定。实验仪器对全部学生开放。

3.3计算机仿真的引入

实验箱上提供的模块和实验项目有限，且模块内的元件接线固定，系统提供的元件数量有限，且大小可不调。极大的限制了学生的实际动手能力和创新能力。利用计算机来进行辅助控制系统教学实验，这样既节省了实验设备和资金，又创造出一个适合于个体教学，利于因材施教，启发思维，灵活机动的学习环境，并能够充分调动学生的积极性[3]。

Matlab是一款非常优秀的计算机仿真软件，非常适合应用于控制工程基础课程的实验教学当中。Matlab是MathWork公司于1984年推出的程序设计语言，由于其超强的数值运算能力、丰富的工具箱灯使得它一经推出就受到了广大科研人员及高校教师的广泛关注。目前，关于Matlab的研究和应用也得到很大发展。在科学研究、高等学校以及工程技术领域都有广泛应用。将Matlab仿真软件应用于控制工程基础的实验教学中，可以增加实验仪器无法完成的仿真实验，利用其强大的仿真功能，可以容易的实现与实验仪器同样的效果。

Matlab在控制工程基础实验教学中的应用有三种形式，第一种是直接利用Matlab丰富的指令直接进行仿真，如求系统的奈奎斯特图，可以直接用指令Nyquist来完成，对于复杂一些的也可利用M文件的编程实现。此种形式的应用简单易学，仿真结果直观明了。第二种是利用Simulink来实现系统的仿真。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果[4]。第三种是利用Matlab开发控制工程仿真实验系统。利用Matlab的GUI界面，可以实现控制工程基础实验教学仿真实验平台的构建。此种方法涉及的知识较多，需要更多创新思维，更有助于提高学生的创新能力的培养。

4结束语

控制工程基础课程在人才培养方案中占据着重要地位，实验教学对于提高学生学习兴趣，锻炼学生动手能力以及培养学生的创新能力都具有重要意义。本文从实验教学内容、实验方式及考核方式和仿真软件的应用三方面对控制工程基础实验教学改革进行了探讨。围绕着如何提高教学质量、增强学生在未来就业中的竞争力，全面提高学生的素质而展开的一系列教学改革中非常关键的一环就是进行实验教学改革，全面提高学生的动手能力和创新能力，以适应快速发展的社会环境。

参考文献：

[1]张尚才.控制工程基础[M].杭州：浙江大学出版社，2012.

[2]TAP-II实验指导书，清华大学科教仪器厂.

[3]王伟，申爱明.《控制工程基础》课程教学改革研究与探索.

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

基金项目：2012年河北省高等教育教学改革研究项目《基于办学体制机制创新的建筑类高校二级学院综合改革研究》，项目编号：2012GJJG105。