“自動控制原理”與仿真實驗相結(jié)合的教學(xué)方法研究

王麗馨

（東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

“自動控制原理”是研究自動控制共同規(guī)律的技術(shù)科學(xué)，是介紹自動控制理論的基本概念、自動控制系統(tǒng)的分析方法、設(shè)計方法的基礎(chǔ)理論課程。

另一方面，中國工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求高校培養(yǎng)的學(xué)生具有綜合運(yùn)用所學(xué)科學(xué)理論和技術(shù)手段分析并解決工程問題的基本能力，受到本專業(yè)實驗技能、工程實踐、計算機(jī)應(yīng)用、科學(xué)研究與工程設(shè)計方法的基本訓(xùn)練。對于新時代的畢業(yè)生而言，不僅僅要掌握扎實的理論基礎(chǔ)，同時更要具有一定的實踐能力。實驗教學(xué)方式很好地將理論知識與實踐能力相結(jié)合，培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生在動手實踐方面的能力[1]。

1 教學(xué)存在的問題

“自動控制原理”這門課程是東北電力大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)設(shè)置的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，同時也是本科自動化專業(yè)的一門主干課程。該門課程理論較強(qiáng)，公式推導(dǎo)多，抽象難懂，對于抽象的理論久而久之學(xué)生會失去學(xué)習(xí)的樂趣；另一方面，傳統(tǒng)的授課方式中，教師以理論教學(xué)為主，缺乏理論與實踐的緊密結(jié)合，同時學(xué)習(xí)起來也會讓學(xué)生感到非常吃力[2]。

2 實驗教學(xué)核心內(nèi)容與目標(biāo)

實驗教學(xué)作為“自動控制原理”的重要組成成分，對于保障教學(xué)質(zhì)量具有關(guān)鍵性作用。通過實驗教學(xué)環(huán)節(jié)鞏固加深所學(xué)內(nèi)容，將理論學(xué)習(xí)和動手實踐有機(jī)結(jié)合起來[3]。

“自動控制原理”實驗教學(xué)的目標(biāo)主要包括：（1）培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論分析解決實際問題的能力。通過動手實驗，加深課堂理論知識的學(xué)習(xí)。（2）培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力。實驗操作是培養(yǎng)動手能力的最好途徑。使學(xué)生熟悉實驗儀器，進(jìn)而完成實驗設(shè)備的連接和調(diào)試工作[4]。

3 應(yīng)用型實驗的設(shè)計

3.1 設(shè)計案例

時域仿真分析是“自動控制原理”課程的一個重要分析法。而二階系統(tǒng)在“自動控制原理”課程和實驗教學(xué)中都占有重要位置。本節(jié)以二階系統(tǒng)為例展開分析。對于控制系統(tǒng)而言，開環(huán)增益大到無法滿足穩(wěn)定性能所要求的數(shù)值時，系統(tǒng)有可能不穩(wěn)定，或者動態(tài)性能不滿足設(shè)計要求。為此，需要在系統(tǒng)的前向通道中加一個超前校正裝置，使得系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)能滿足設(shè)計的要求。因此，本文設(shè)計了一個教學(xué)實驗環(huán)節(jié)，以Labact實驗箱為仿真平臺，首先讓學(xué)生對一個二階系統(tǒng)的時域仿真曲線和各項性能指標(biāo)的分析，若不滿足要求，通過加入一個超前裝置，再進(jìn)行觀察和分析。

3.2 實驗原理分析

設(shè)計二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路如圖1所示。它是典型I型二階單位反饋閉環(huán)系統(tǒng)，由積分環(huán)節(jié)（A3單元）和慣性環(huán)節(jié)（A5單元）的構(gòu)成，其積分時間常數(shù)Ti=R*C2=0.25 s，慣性時間常數(shù)T1=R2*C1=0.5 s。

圖1 未校正系統(tǒng)的模擬電路

二階系統(tǒng)（Ⅰ型）閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

由各性能指標(biāo)計算公式可以得到，圖1二階系統(tǒng)的自然頻率、阻尼比、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間為：自然頻率ωn＝6.32；阻尼比ξ＝0.158；超調(diào)量Mp＝60%；調(diào)節(jié)時間ts=4。

要求設(shè)計校正裝置，使系統(tǒng)滿足下述性能指標(biāo)：

Mp≤25%；ts≤1 sMp≤25%和ts≤1 s

加入控制系統(tǒng)的超前（微分）校正網(wǎng)絡(luò)模擬電路標(biāo)準(zhǔn)式為：

利用公式計算可得到校正后系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間為：

計算結(jié)果滿足設(shè)計要求。

3.3 實驗預(yù)期結(jié)果分析

學(xué)生結(jié)合“自動控制原理”課程所學(xué)知識，搭建二階閉環(huán)系統(tǒng)，同時利用課堂所學(xué)理論，設(shè)計校正裝置，觀察校正后系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)，與預(yù)期個指標(biāo)進(jìn)行比較分析。

學(xué)生利用Labact試驗箱，搭建I型二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路及超前校正裝置，以階躍響應(yīng)信號為測試信號，通過觀察和分析時域響應(yīng)曲線的超調(diào)量值和調(diào)節(jié)時間，實現(xiàn)提高系統(tǒng)性能指標(biāo)的目的。未校正系統(tǒng)和校正后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線分別如圖2和圖3所示。

圖2 未校正系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線

圖3 校正后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線

4 結(jié)語

“自動控制原理”課程理論性較強(qiáng)，基于中國工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)對于學(xué)生培養(yǎng)方面的理論聯(lián)系實際要求，構(gòu)建實踐教學(xué)體系，設(shè)計動手實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，達(dá)到加深學(xué)生對于“自動控制原理”課程基礎(chǔ)知識的理解，通過動手實踐培養(yǎng)學(xué)生對于學(xué)習(xí)的樂趣，進(jìn)而將實踐教學(xué)延伸到科研學(xué)術(shù)活動，提高教學(xué)效果。

[參考文獻(xiàn)]

[1]賈渭娟，馬小菊.應(yīng)用型技術(shù)本科“自動控制原理”課程改革探索[J].通訊世界，2015（5）：198.

[2]段納，高慶爭.自動控制原理教學(xué)中的問題及對策探討[J].曲阜師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011（2）：7-10.

[3]吳昊，吳學(xué)偉.實驗教學(xué)目標(biāo)與實驗教學(xué)[J].紅河學(xué)院學(xué)報，2013（2）：115-117.

[4]余建潮.依托實驗教學(xué)示范中心加強(qiáng)學(xué)生實驗?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)[J].實驗技術(shù)與管理，2013（3）：117-119.