淺談學生分析與設計能力的培養
——以三階控制系統的穩定性分析為例

宋 燕

(上海市現代光學系統重點實驗室，教育部光學儀器與系統工程研究中心，上海理工大學光電信息與計算機工程學院 200093)

淺談學生分析與設計能力的培養
——以三階控制系統的穩定性分析為例

宋 燕

(上海市現代光學系統重點實驗室，教育部光學儀器與系統工程研究中心，上海理工大學光電信息與計算機工程學院 200093)

本文以三階系統的穩定性分析為例，講述了自動控制原理實驗課程由驗證性實驗教學為主向分析與設計性為主進行教學改革的必要性。倡導該課程應加強學生綜合分析與設計能力的培養，讓實驗課程真正成為理論課程的延展和補充，從而加強學生對理論知識的理解。

三階系統的穩定性；自動控制原理實驗；教學改革；分析與設計

0 引言

自動控制原理課程不僅是自動化專業的基礎課，而且在機械、電氣、測控、儀器儀表、電子信息等工科專業課程也具有很重要的作用。該課程知識面廣，理論綜合性強，內容比較抽象，學生難以將理論上所描述的系統與實際系統相結合，易造成理論與實際的脫節。

實驗教學是理論課的延展和補充，它可以幫助學生借助實驗的方式更好地理解理論知識，并加強理論知識和實踐內容的結合，所以加強實踐能力的教學是非常必要的。然而，長期以來，該課程的實驗教學模式單一，教學方法死板，學生只要按照實驗指導書上的步驟去做，就能順利測到實驗數據，完成實驗。這種按部就班驗證性的教學方式很難讓學生真正的進行思考和分析，所以他們對實驗過程和工作原理等根本無法理解，更談不上應用。因此，自動控制原理實驗課程的教學應從驗證性的教學轉為培養學生分析與設計能力的教學模式：旨在培養學生的創新能力，啟發學生思維，激發學習興趣，提高學生綜合分析能力和解決問題的能力。

1 綜合分析能力的培養

這部分我們將以三階系統的穩定性分析為例談一下如何由實驗驗證性教學轉化為分析與設計性教學為主的實驗課程。傳統的驗證性為主的實驗課程首先會給出三階控制系統的模擬電路，然后畫出相應的控制系統結構圖，從而得到系統開環傳遞函數，最后按照模擬電路連接線路測量實驗數據。下面我們按照綜合分析的方法給出系統分析與設計思路：首先，給出三階系統的開環傳遞函數，如

易見，式(2)定義的三階系統可以視為由一個積分環節，兩個慣性環節和一個比例環節串聯而成，其中比例環節是線性可調節的，即由可調電阻構成。由此，可以得到三階系統結構圖如下：

圖1 三階控制系統結構圖

由于實驗中使用的運放均采用反相端輸入，由圖1分析可知，為使得輸出響應曲線與輸入信號相位相反，應在反饋回路中加一個反相器，從而得到的三階控制系統模擬電路如圖2所示。

圖2 三階控制系統模擬電路

在模擬電路建立的基礎上，運用勞斯穩定判據來研究系統的穩定條件與開環增益的關系，由此來確定臨界穩定增益。假設則系統的開環傳遞函數為

由勞斯穩定性判據可知系統穩定的充分必要條件是勞斯表的第一列數系數均為正值，所以可得開環傳遞函數(3)確定的系統穩定的充分必要條件為

至此，分析過程結束，接下來就是按照模擬電路圖(2)連接實驗電路，求出實驗數據，驗證理論分析結果的正確性。以上實驗分析過程可簡化為以下流程：

圖3 實驗分析過程流程圖

2 結論

本文以三階系統穩定性分析為例闡述了傳統驗證性實驗課程的不足，提出了實驗課程上加強學生綜合分析與設計能力的重要性。本文提出的綜合分析方法，可加深學生對典型控制理論基本原理及系統綜合方法的理解，極大調動了學生學習的積極性和加強學生對問題的分析解決能力，從而學生的創新能力也會得到提高。綜上所述，綜合分析與設計能力的培養將是自動控制原理實驗課程改革的方向。

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Discussion on ability training of analysis and design for students— A example of the stability analysis of three order system

Song Yan
(Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System,and Engineering Research Center of Optical Instrument and System, Ministry of Education, School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Jungong Road No.516,Yangpu district,Shanghai, 200093)

By analyzing the stability of three order system, we present the necessity of the education reform on the course of the experiment of automatic control theory from verification teaching to analysis and design teaching.In this paper,we insist that the curriculum should strengthen the cultivation of analysis ability and design ability of the students.In this way,the experiment course could become the extension and complementary of the theoretic course,thus enhance the understanding for the students on theoretic knowledge.

stability of three order system;experiment of automatic control theory;teaching reform; analysis and design

上海市自然科學基金（13ZR1428500）、上海市教委創新項目(14YZ083)

宋燕，1979—，女，四川成都人，上海理工大學光電信息與計算機工程學院控制科學與工程系，講師，博士，研究方向：網絡化控制，預測控制，隨機系統