“控制工程基础”课程实验教学研究*

梁 亮，段想平，朱宗铭

“控制工程基础”课程实验教学研究*

梁 亮，段想平，朱宗铭

（长沙大学机电工程系，湖南长沙410022）

为了更好掌握“控制工程基础”课程基础理论知识、加强课程实践环节，以天煌教仪控制理论电子模拟实验箱和计算机控制技术实验平台为基础，提出一种将以Matlab仿真和模拟电路为主的基础实验和以实际应用对象为主的综合实验相结合的实验教学体系，并介绍了实验平台的构成、实验项目内容和实验教学体系的实施策略.实践教学表明，所提出的实验教学体系层次分明，设备要求不高，易于实现，教学效果良好.

控制工程基础；实验教学体系；实施策略

“控制工程基础”是高等院校机械设计制造及其自动化、机械电子、电气自动化、材料成型及控制工程等专业的一门必修专业基础课［1］.本课程重点讲授控制系统分析和设计所需的基础理论和方法，主要包括系统数学模型的建立、系统时域响应分析、系统频域特性分析和系统的设计与校正等内容.学习和掌握本课程的核心内容后，学生将可以在不同的空间自由分析和改进控制系统的性能和品质，并可以根据实际需要，创新性的设计控制系统并加以实现.

本课程理论性强、数学要求高、内容抽象，在教学过程中，理论课时所在比例大，实验课时较少，理论和实际应用结合不紧密，因此学生学习难度较大.为了培养大学生动手实践能力、工程应用能力和综合创新思想，以浙江天煌教仪的TKKL－1型控制理论电子模拟实验箱和THBDC－2型控制理论·计算机控制技术实验平台为基础，研究出一种将以Matlab仿真和模拟电路为主的基础实验和以实际应用对象为主的综合实验相结合的实验教学体系，通过周密设计与筛选实验项目，将学生独立动手和综合创新能力的培养融入到实验教学过程中，使学生更好地掌握基础理论知识，学以致用，为将来实际工作打下坚实基础.

1 实验教学体系设计

本实验教学体系由基础实验（包括Matlab软件学习和模拟电路实验）和控制实际对象的综合实验组成，参考浙江天煌教仪的TKKL－1型控制理论电子模拟实验箱和THBDC－2型计算机控制技术实验平台实验指导书，本实验教学体系包含的主要实验项目如图1所示.

图1 “控制工程基础”课程实验教学体系框图

1.1基础实验

MATLAB是控制系统极其重要的仿真软件.Matlab软件能够实现对控制系统进行分析和设计，可以快速、直观地分析各类系统的瞬态和稳态性能.Matlab仿真实验只需安装有Matlab软件的高性能计算机.本实验体系中Matlab软件学习包括Matlab基础知识与操作、Matlab时域分析、Matlab频域分析和Matlab的Simulink工具箱使用等.

由于机械、电气、电子等各类系统数学模型的描述往往是相似的，因此自动控制系统的实验项目往往较易实现.在基础实验的模拟电路实验中，采用运算放大器、不同阻值的电阻和不同大小的电容来模拟控制系统中的典型环节（比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节、振荡环节、比例积分微分环节等），并进行时间响应分析和频率特性分析；再由多个典型环节组成高阶系统，并进行稳定性分析、稳态误差分析和串联校正等.

模拟电路的基础实验主要有两种方案［2］，一种是使用传统仪器的实验方案，一般包括模拟电路实验箱（如天煌教仪TKKL－1型控制理论电子模拟实验箱）、双踪低频慢扫描示波器和万用表.模拟电路实验箱主要包括实验模块（运算放大器、电阻、电容等）、±15V和±5V直流稳压电源、扫频电源、交＼直流数字电压表、信号源（阶跃信号发生器和低频函数信号发生器）、频率计等.这种实验方案需要学习双踪低频慢扫描示波器的使用，并且需要人工读取数据和绘制响应曲线，这样有可能导致一些数据误差和准确度不高，另外，完成实验项目花费的时间较多.另一种是使用计算机控制技术结合模拟电路的实验方案，一般包括模拟实验箱、数据采集部分、计算机等（如天煌教仪THBDC－2型控制理论·计算机控制技术实验平台）.其中，实验箱包括直流稳压电源、低频函数信号发生器、阶跃信号发生器、低频频率计、交／直流数字电压表等；数据采集部分采用实验室或工业上常用的USB数据采集卡；计算机软件具有虚拟示波器、AD参数设置、Bode图、信号发生器、脚本编程器、实验报告生成器等多种功能.该实验方案将传统的实验方法与计算机结合起来，运用计算机来实现对控制系统的特性分析和曲线绘制等.该实验方案操作更简单、分析更准确，而且实验方案配置灵活、便于扩展实验项目、又能节约测量仪器设备等.

1.2综合实验

为了将本课程实验与工程实际应用紧密联系，综合实验中主要以直流电机和单容水箱系统作为实际控制对象，通过分析系统工作原理，设计PID控制器的三个参数，编写控制程序，连接硬件线路，调试控制系统等完成控制实验，并将实验结果与Matlab仿真结果进行比较.综合实验锻炼了学生独立动手能力、工程应用能力和综合创新思想，并且进一步加强了学生对基础理论知识的理解和掌握，也提高了学生对机械、电气、检测等多学科知识的综合.下面重点介绍一下两个综合实验项目.

直流电机的调速方法有很多，一是调节电枢电压，二是调节励磁电流.而常见的微型直流电机，其磁场都是固定的，不可调的永磁体，所以只好调节电枢电压.调节电枢电压常用的方法有可控硅调压法和脉冲宽度调制法（PWM），本实验项目采用PWM法.功率放大器是直流电机调速系统中的一个重要元件，本实验项目采用晶体管功率放大器.PWM功率放大器具有功耗低、效率高等优点，并且有利于克服直流电机的静摩擦等.由于直流电机PWM输出信号比较小，通过连接一15V直流电压功放电路，再连接到直流电机两端，达到驱动电机目的.直流电机系统反馈信号（即电机转速）是通过霍尔传感器感应直流电机轴上粘贴的一块小磁钢获得.当直流电机转动时，其磁钢也随之转动，从而下方的霍尔传感器获得其转速.直流电机调速控制系统原理如图2所示，由霍耳传感器将直流电机的转速转换为电信号，经AD转换器转换为数字量，送入计算机与设定的给定值比较，按偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）组合而成的数字控制规律，然后经DA转换器转换为模拟控制量，供执行器来控制直流电机转速.

图2 直流电机调速控制系统框图

单容水箱液位定值控制系统的控制对象为一阶单容水箱，主要的实验项目为单容水箱液位定值控制.其执行机构为微型直流水泵，正常工作电压为24V.直流微型水泵控制方式主要有调压控制以及PWM控制，在本实验中采用PWM控制直流微型水泵的转速来实现对单容水箱液位的定值控制.PWM调制与晶体管功率放大器的工作原理与直流电机实验项目相同.控制器仍然采用PID控制器，数字PID控制规律经DA转换器转换为模拟控制量.单容水箱液位高精度定值控制系统一般采用电流传感器，在本实验项目中，在反馈输出端串联一定阻值电阻，将电流信号转变为电压信号，以便于测量与观察反馈信号.水箱液位与电压信号之间存在一个线性关系.单容水箱液位控制系统方框图如图3所示.

图3 单容水箱液位控制系统框图

2 实验教学体系的实施策略

本实验教学体系采用必做、选做、课外开放的三位一体实施策略.在每次进行实验之前，都要求学生完成实验预习，并在平时加强学习控制系统仿真软件Matlab语言和Simulink工具箱［3］.

在基础实验实施中，采用传统仪器的实验方案和计算机控制技术结合模拟电路的实验方案相结合.传统仪器的实验方案重点完成典型环节的电路模拟和一、二阶系统的时间响应分析，计算机控制技术结合模拟电路的实验方案重点完成稳定性、稳态误差、频域特性、串联校正等的分析.考虑到课堂实验课时的限制，加之传统仪器的实验方案完成二阶和高阶系统时间响应分析花费时间较多，因此可将此部分实验作为开放性实验，让有精力的学生课后完成.

控制实际对象的综合实验采用课堂选做和课外开放结合的方式实施.将直流电机、单容水箱等作为应用实例贯穿整个教学课程，指导学生分阶段完成被控系统的建模及分析、控制器设计、控制参数影响分析及调整等，提高学生的综合能力.

实施的过程中，把学生分为几个研究小组，跟随课程的学习进度依次完成直流电机、单容水箱等被控对象的理论建模和性能分析，并完成控制器的设计.在课后，以小组为单位，预约时间，熟悉直流电机、单容水箱等控制系统的组成，在实验中实现自行设计的PID控制算法，并分析P、I、D控制参数对控制系统的影响等.

直流电机系统和单容水箱系统均可采用天煌教仪的THBDC－2控制理论·计算机控制技术实验平台中的单闭环直流调速系统和单容水箱液位定值控制系统.

3 结论

阐述了一种“控制工程基础”课程的实验教学体系.该实验教学体系包括以Matlab仿真和模拟电路为主的基础实验和以实际应用对象为主的综合实验，兼顾传统仪器实验方案和计算机控制技术实验方案，同时该体系实验项目容易扩展，能够将基础理论知识和实际工程应用有效结合，也可将最新的控制理论和技术用于实验项目，可以实现将学生培养成满足社会需要的卓越工程师的目标.

［1］彭珍瑞，董海棠.控制工程基础［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］汪宁，郭西进.MATLAB与控制理论实验教程［M］.北京：机械工业出版社，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

（作者本人校对）

2014－02－19

湖南省教研教改课题（湘教通［2013］223号－473）.

梁亮（1977－），男，湖南株洲人，长沙大学机电工程系副教授，博士.研究方向：管道机器人建模与控制、流体流场分析.