《机械工程控制基础》实验教学探索

何一文　李珍

【摘要】《机械工程控制基础》课程的实验教学是该课程的重要环节。搞好实验环节可以提高学生的学习兴趣，加深其对理论知识的理解，还可以提高动手能力。本文将软件仿真、设计制作、搭建调试等形式的实验项目结合起来，方便学生从多角度理解控制系统，锻炼学生设计、制作、操作等多方面的能力。经过两年的教学实践，取得了良好的教学效果。

【关键词】机械工程控制基础 实验教学 MATLAB

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）03-0215-02

《机械工程控制基础》是我校机械制造及其自动化专业和测控技术与仪器专业学生必修的一门重要的专业基础课， 课程的主要内容是依托控制论的理论基础， 来研究和分析机械工程技术中的实际问题。主要包括系统的数学模型、时域频域分析、稳定性分析和控制器设计等。如果在学习过程中，脱离工程实践，不能搞懂这些理论分析作用和依据，而只会套公式，就会使学生不是主动学习知识，而是被动的接受知识，使其失去学习兴趣，影响学习效果。因此和这门课相对应的实验环节尤其重要。

一、实验形式的思考

随着社会的发展，应用型本科教育的重心向实用性靠拢；这就要求我们的学生既懂控制系统的原理与设计等理论知识，还要能解决在生产过程中遇到的控制系统实际问题。但以往的实验环节，均采用在电脑上用MATLAB软件进行仿真验证的方式进行，学生完成实验后，对控制系统的构成、作用、分析等仍然理解不深，不能很好地把实验结果和工程实际很好地结合起来。为了适应社会和企业的要求我们的实验教学就必须有所改进和创新，根据教学要求和我校实验室设备的具体情况，我们对实验形式做了以下改进：

1.保留工程设计应用软件这种形式，充分利用软件的强大仿真能力，使得学生能够将抽象的理论知识形象化，曲线化，用以验证自己的设计是否合理。

2.应用实验箱、面包板和元器件让学生对仿真模块进行进一步的验证，可以加深学生对知识的理解，将理论知识与实际应用更好地联系起来，还可以提高学生元器件选用和动手搭建电路的能力，同时也掌握了信号发生器、示波器等仪器的使用能力。

3.用实际的工业工程设备组成一个闭环的调节系统，通过系统连接，参数设定将被调参数控制到预定的数值，使得学生能够在实际的控制回路中体会PID参数设置的神奇。作为应用型本科的学生，毕业后从事的工作往往不是控制系统的设计制造而是控制系统的应用维护等实际问题，这种实验形式与之关联度更高，更切合实际。

二、实验的具体实施

下边以控制器设计为例，讨论上述实验形式是如何具体实施的。

1.应用MATLAB中SIMULINK模块中的方框图，将比例电路，积分电路和微分电路的传递函数数学模型连接起来，组成如下的系统方框图，分析本系统的时域特性和频域特性。

实验时要求学生根据理论课所学知识，在阶跃干扰的作用下，分别加载P（比例）作用控制，PI（比例积分）作用控制，PID（比例积分微分）作用控制的校正曲线进行比较；同时改变调节系数（KP、KI、KD），直观的了解不同的调节系数对控制质量的影响。

2.应用实验箱和面包版，用元器件搭建比例、微分、积分电路和被控对象，并用信号发生器和示波器分别发送和观察输入输出信号的波形。

这个环节练习的重点是元器件的选用、信号发生器和示波器的使用以及改变元件参数对应控制系统的响应情况、改变干扰信号的输入点输出信号的变化分析等。比较自己搭建的系统和仿真软件系统同样输入信号下曲线的相同点和不同点，并分析原因。

3.用传感器、调节器、执行元件、被调对象等工程设备组成一个闭环调节系统。

系统包含PT100热电阻，智能调节器，温度源（内装电加热丝和冷却风扇）综合实验台等，具体原理及实物图如图4、图5所示。

当温度源的温度发生变化时，温度源中的热电阻Pt100的阻值发生变化，将电阻变化量作为温度的反馈信号输给PID智能温度调节器，经调节器的电阻-电压转换后与温度设定值比较再进行PID运算输出可控硅触发信号（加热）和继电器触发信号（冷却），使温度源的温度趋近温度设定值。

本环节可以加深学生对温度控制系统的组成、原理、控制器设计等基础知识的理解，了解热电阻传感器在工程实践中为了消除线路误差采用的三线制接法，掌握温度控制系统PID参数的整定方法。还可以使学生比较人工整定和智能调节器自整定有什么不同，自整定是否可以完全取代人工整定等问题。通过上述过程，可以利用这个简单的温度控制系统来提高学生的工程意识和工程能力。

三、实验效果的总结

通过两年的探索和实施，我们《机械控制工程基础》这门课的实验紧紧围绕“设计—制造—使用”这条主线进行，取得了意想不到的效果。最明显的一点是学生对课程的兴趣提高了，从被动的听课到主动地到实验室预约实验时间和实验设备，想尽快尽早的验证自己设计方案是否合理，如果和预想的有出入可以马上修正。应用型本科的特点就是培养实用型人才，我们的实验教学就是要把学生培养成懂设计、懂原理、懂制造、会安装调试、会合理使用、会快速维修、会维护保养的“三懂四会”的人才，为学生走上工作岗位打下坚实的基础，同时也为我们其他课程的实验提供了成熟的改革思路。

参考文献：

[1]艾超，陈立娟，孔祥东，姚静.控制工程基础课程教学模式的改革与实践[J].教学研究，2015，（7）：94-97.

[2]陈晓.《控制工程基础》课程实验教学的研究与探讨[J].安阳工学院学报，2015，（2）：112-113.

作者简介：

何一文（1966.8-），男，汉族，河南泌阳人，博士，讲师，研究方向：控制理论。endprint