何一文　李珍

【摘要】《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是該課程的重要環(huán)節(jié)。搞好實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深其對(duì)理論知識(shí)的理解，還可以提高動(dòng)手能力。本文將軟件仿真、設(shè)計(jì)制作、搭建調(diào)試等形式的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)合起來(lái)，方便學(xué)生從多角度理解控制系統(tǒng)，鍛煉學(xué)生設(shè)計(jì)、制作、操作等多方面的能力。經(jīng)過(guò)兩年的教學(xué)實(shí)踐，取得了良好的教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械工程控制基礎(chǔ) 實(shí)驗(yàn)教學(xué) MATLAB

【中圖分類(lèi)號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）03-0215-02

《機(jī)械工程控制基礎(chǔ)》是我校機(jī)械制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)和測(cè)控技術(shù)與儀器專(zhuān)業(yè)學(xué)生必修的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課， 課程的主要內(nèi)容是依托控制論的理論基礎(chǔ)， 來(lái)研究和分析機(jī)械工程技術(shù)中的實(shí)際問(wèn)題。主要包括系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、時(shí)域頻域分析、穩(wěn)定性分析和控制器設(shè)計(jì)等。如果在學(xué)習(xí)過(guò)程中，脫離工程實(shí)踐，不能搞懂這些理論分析作用和依據(jù)，而只會(huì)套公式，就會(huì)使學(xué)生不是主動(dòng)學(xué)習(xí)知識(shí)，而是被動(dòng)的接受知識(shí)，使其失去學(xué)習(xí)興趣，影響學(xué)習(xí)效果。因此和這門(mén)課相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)尤其重要。

一、實(shí)驗(yàn)形式的思考

隨著社會(huì)的發(fā)展，應(yīng)用型本科教育的重心向?qū)嵱眯钥繑n；這就要求我們的學(xué)生既懂控制系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì)等理論知識(shí)，還要能解決在生產(chǎn)過(guò)程中遇到的控制系統(tǒng)實(shí)際問(wèn)題。但以往的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，均采用在電腦上用MATLAB軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證的方式進(jìn)行，學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，對(duì)控制系統(tǒng)的構(gòu)成、作用、分析等仍然理解不深，不能很好地把實(shí)驗(yàn)結(jié)果和工程實(shí)際很好地結(jié)合起來(lái)。為了適應(yīng)社會(huì)和企業(yè)的要求我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)就必須有所改進(jìn)和創(chuàng)新，根據(jù)教學(xué)要求和我校實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的具體情況，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)形式做了以下改進(jìn)：

1.保留工程設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件這種形式，充分利用軟件的強(qiáng)大仿真能力，使得學(xué)生能夠?qū)⒊橄蟮睦碚撝R(shí)形象化，曲線(xiàn)化，用以驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)是否合理。

2.應(yīng)用實(shí)驗(yàn)箱、面包板和元器件讓學(xué)生對(duì)仿真模塊進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證，可以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，將理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用更好地聯(lián)系起來(lái)，還可以提高學(xué)生元器件選用和動(dòng)手搭建電路的能力，同時(shí)也掌握了信號(hào)發(fā)生器、示波器等儀器的使用能力。

3.用實(shí)際的工業(yè)工程設(shè)備組成一個(gè)閉環(huán)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)連接，參數(shù)設(shè)定將被調(diào)參數(shù)控制到預(yù)定的數(shù)值，使得學(xué)生能夠在實(shí)際的控制回路中體會(huì)PID參數(shù)設(shè)置的神奇。作為應(yīng)用型本科的學(xué)生，畢業(yè)后從事的工作往往不是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造而是控制系統(tǒng)的應(yīng)用維護(hù)等實(shí)際問(wèn)題，這種實(shí)驗(yàn)形式與之關(guān)聯(lián)度更高，更切合實(shí)際。

二、實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施

下邊以控制器設(shè)計(jì)為例，討論上述實(shí)驗(yàn)形式是如何具體實(shí)施的。

1.應(yīng)用MATLAB中SIMULINK模塊中的方框圖，將比例電路，積分電路和微分電路的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型連接起來(lái)，組成如下的系統(tǒng)方框圖，分析本系統(tǒng)的時(shí)域特性和頻域特性。

實(shí)驗(yàn)時(shí)要求學(xué)生根據(jù)理論課所學(xué)知識(shí)，在階躍干擾的作用下，分別加載P（比例）作用控制，PI（比例積分）作用控制，PID（比例積分微分）作用控制的校正曲線(xiàn)進(jìn)行比較；同時(shí)改變調(diào)節(jié)系數(shù)（KP、KI、KD），直觀的了解不同的調(diào)節(jié)系數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響。

2.應(yīng)用實(shí)驗(yàn)箱和面包版，用元器件搭建比例、微分、積分電路和被控對(duì)象，并用信號(hào)發(fā)生器和示波器分別發(fā)送和觀察輸入輸出信號(hào)的波形。

這個(gè)環(huán)節(jié)練習(xí)的重點(diǎn)是元器件的選用、信號(hào)發(fā)生器和示波器的使用以及改變?cè)?shù)對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)的響應(yīng)情況、改變干擾信號(hào)的輸入點(diǎn)輸出信號(hào)的變化分析等。比較自己搭建的系統(tǒng)和仿真軟件系統(tǒng)同樣輸入信號(hào)下曲線(xiàn)的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，并分析原因。

3.用傳感器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行元件、被調(diào)對(duì)象等工程設(shè)備組成一個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

系統(tǒng)包含PT100熱電阻，智能調(diào)節(jié)器，溫度源（內(nèi)裝電加熱絲和冷卻風(fēng)扇）綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)等，具體原理及實(shí)物圖如圖4、圖5所示。

當(dāng)溫度源的溫度發(fā)生變化時(shí)，溫度源中的熱電阻Pt100的阻值發(fā)生變化，將電阻變化量作為溫度的反饋信號(hào)輸給PID智能溫度調(diào)節(jié)器，經(jīng)調(diào)節(jié)器的電阻-電壓轉(zhuǎn)換后與溫度設(shè)定值比較再進(jìn)行PID運(yùn)算輸出可控硅觸發(fā)信號(hào)（加熱）和繼電器觸發(fā)信號(hào)（冷卻），使溫度源的溫度趨近溫度設(shè)定值。

本環(huán)節(jié)可以加深學(xué)生對(duì)溫度控制系統(tǒng)的組成、原理、控制器設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)知識(shí)的理解，了解熱電阻傳感器在工程實(shí)踐中為了消除線(xiàn)路誤差采用的三線(xiàn)制接法，掌握溫度控制系統(tǒng)PID參數(shù)的整定方法。還可以使學(xué)生比較人工整定和智能調(diào)節(jié)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問(wèn)題。通過(guò)上述過(guò)程，可以利用這個(gè)簡(jiǎn)單的溫度控制系統(tǒng)來(lái)提高學(xué)生的工程意識(shí)和工程能力。

三、實(shí)驗(yàn)效果的總結(jié)

通過(guò)兩年的探索和實(shí)施，我們《機(jī)械控制工程基礎(chǔ)》這門(mén)課的實(shí)驗(yàn)緊緊圍繞“設(shè)計(jì)—制造—使用”這條主線(xiàn)進(jìn)行，取得了意想不到的效果。最明顯的一點(diǎn)是學(xué)生對(duì)課程的興趣提高了，從被動(dòng)的聽(tīng)課到主動(dòng)地到實(shí)驗(yàn)室預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，想盡快盡早的驗(yàn)證自己設(shè)計(jì)方案是否合理，如果和預(yù)想的有出入可以馬上修正。應(yīng)用型本科的特點(diǎn)就是培養(yǎng)實(shí)用型人才，我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)就是要把學(xué)生培養(yǎng)成懂設(shè)計(jì)、懂原理、懂制造、會(huì)安裝調(diào)試、會(huì)合理使用、會(huì)快速維修、會(huì)維護(hù)保養(yǎng)的“三懂四會(huì)”的人才，為學(xué)生走上工作崗位打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也為我們其他課程的實(shí)驗(yàn)提供了成熟的改革思路。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

何一文（1966.8-），男，漢族，河南泌陽(yáng)人，博士，講師，研究方向：控制理論。endprint