【控制工程實(shí)驗(yàn)箱】

　　功能/作用介紹：

　　控制工程實(shí)驗(yàn)箱是蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械電子工程系實(shí)驗(yàn)室在我校實(shí)驗(yàn)室管理處的支持下自制的實(shí)驗(yàn)儀器。主要完成我校建設(shè)的省級(jí)精品課程《控制工程基礎(chǔ)》中的實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)。每年為機(jī)械設(shè)計(jì)及制造自動(dòng)化、車輛工程、熱能與動(dòng)力工程、測(cè)控技術(shù)與儀器、工業(yè)工程、材料成型與控制、建筑環(huán)境與設(shè)備工程、過(guò)程裝備與控制工程等多個(gè)專業(yè)近1000名學(xué)生而服務(wù)。

　　自制的控制工程實(shí)驗(yàn)箱及配套的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)緊密圍繞課堂教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行。結(jié)合我校老師編寫的高等教育出版社教材《控制工程基礎(chǔ)》，考慮應(yīng)用型高校教學(xué)的特點(diǎn)，編寫了與教材良好結(jié)合的《控制工程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》，可全面靈活開(kāi)展驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

　　實(shí)驗(yàn)箱中嵌入了控制系統(tǒng)各種典型環(huán)節(jié)模擬所需電源、運(yùn)算放大器、各種電阻、電容等電子元件，還包含了控制系統(tǒng)測(cè)試中最典型的階躍信號(hào)源。可根據(jù)學(xué)生需求在0到5V間靈活選擇輸入幅值。其他的輸入信號(hào)發(fā)生和示波器顯示方式都通過(guò)外接組裝得到，使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程和工作原理。各種電路模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通過(guò)學(xué)生自行使用香蕉插頭連接線靈活搭建，操作便捷。避免了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的過(guò)度封裝而喪失了實(shí)踐訓(xùn)練的意義。同時(shí)完備的各種元件的獨(dú)立封裝，避免了以往實(shí)驗(yàn)箱中操作芯片和諸多電子元件的繁瑣。提高了實(shí)驗(yàn)效率。使學(xué)生在這門課程實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練中將主要精力投入控制系統(tǒng)或典型環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和搭建上，而不是舍本逐末地將精力耗費(fèi)在芯片引腳的操作和電子元件的測(cè)試和查錯(cuò)上。更貼合該門課程對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和構(gòu)建的主旨。

　　該實(shí)驗(yàn)箱開(kāi)設(shè)典型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有效訓(xùn)練和加深學(xué)生對(duì)控制工程課程學(xué)習(xí)知識(shí)的理解。

　　驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)“典型環(huán)節(jié)的模擬”，讓學(xué)生設(shè)計(jì)模擬典型環(huán)節(jié)的組成，驗(yàn)證其在時(shí)間域中表現(xiàn)出來(lái)的不同特點(diǎn)。

　　綜合性實(shí)驗(yàn)“典型系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)”，訓(xùn)練學(xué)生用各種典型環(huán)節(jié)組建二階系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，掌握系統(tǒng)性能指標(biāo)的測(cè)試技能。

　　綜合性實(shí)驗(yàn)“線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)及穩(wěn)定性分析”讓學(xué)生學(xué)習(xí)系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))頻率特性曲線的測(cè)量方法和技能。研究系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。學(xué)習(xí)根據(jù)頻率特性的實(shí)驗(yàn)曲線求取傳遞函數(shù)的方法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制系統(tǒng)頻率特性圖(開(kāi)環(huán)伯德圖)，并判斷系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性。

　　設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)“線性系統(tǒng)的校正”，用實(shí)驗(yàn)電路模擬伺服系統(tǒng)，觀測(cè)其時(shí)域響應(yīng)，計(jì)算頻域相對(duì)穩(wěn)定裕度。設(shè)計(jì)校正網(wǎng)絡(luò)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的校正裝置是否滿足系統(tǒng)性能的要求。分析校正的作用，比較校正前后系統(tǒng)性能。掌握校正環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)方法。掌握二階線性系統(tǒng)綜合的原理與實(shí)現(xiàn)方法。

　　實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊，輕便易攜，便于實(shí)驗(yàn)室臺(tái)位靈活安排，實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)完備嵌入了傳遞函數(shù)模擬和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的各種元件環(huán)節(jié)。特殊信號(hào)發(fā)生器和示波器通過(guò)外接形式得到。靈活便捷的組裝和開(kāi)放式的設(shè)計(jì)平臺(tái)使學(xué)生更好地理解控制工程基礎(chǔ)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的原理，訓(xùn)練學(xué)生自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)系統(tǒng)的思維和搭建控制系統(tǒng)的動(dòng)手能力。即保證了實(shí)驗(yàn)的安全性，又保證了實(shí)驗(yàn)的開(kāi)放靈活性，更好地理解參數(shù)變化對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響。

　　該控制工程實(shí)驗(yàn)箱的設(shè)計(jì)從2009年開(kāi)始，緊密結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。著重突出典型環(huán)節(jié)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)訓(xùn)練、時(shí)域性能的測(cè)試、頻域性能和穩(wěn)定性的分析、系統(tǒng)綜合和校正設(shè)計(jì)等控制工程課程重要知識(shí)點(diǎn)的訓(xùn)練。在使用過(guò)程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，于2012年修正設(shè)計(jì)，提高了實(shí)驗(yàn)箱接線設(shè)計(jì)使用的便捷性，更貼近學(xué)生的使用習(xí)慣。同時(shí)考慮到訓(xùn)練效果。使實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與課堂教學(xué)內(nèi)容完美對(duì)應(yīng)。在每年近千學(xué)生的實(shí)驗(yàn)開(kāi)設(shè)中不斷改進(jìn)，于2014年自制的又一批實(shí)驗(yàn)箱也已投入實(shí)驗(yàn)室使用，并將進(jìn)一步推廣下去。

　　作品名稱：控制工程實(shí)驗(yàn)箱

　　完成單位：蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院