馬姝靚　易藝

摘要：自動控制原理是高等學?？刂祁悓I(yè)的專業(yè)基礎課。傳統(tǒng)的自動控制原理實驗或者以單純的Matlab軟件仿真來進行，或者利用集成的硬件實驗箱來開展實驗。文章提出了一種新的實驗設計思路，在Matlab軟件仿真的基礎上，增加對象性實驗設計，由學生自己動手搭建實驗電路，得出實驗數(shù)據(jù)。不但鍛煉了學生的動手能力，而且將理論和實踐很好地結合在一起，有助于學生更好地理解抽象的理論知識。

關鍵詞：自動控制原理；對象性實驗設計；模擬電路；二階系統(tǒng)；頻率特性

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）05-0017-03

1 概述

自動控制原理是高等院?？刂祁悓I(yè)的一門極為重要的專業(yè)基礎課。其特點是教學內容抽象，數(shù)學含量大，計算繁雜，學生不易理解。而該課程實用性強、設計面廣，因此實驗教學成為幫助學生掌握自動控制理論的重要環(huán)節(jié)。搞好實驗教學，選取合適的實驗對象，不僅可以使學生對所學理論有更深刻的理解，同時也可以提高學生的學習興趣。

2 自動控制原理實驗內容設置

為了滿足應用型本科的培養(yǎng)目標，我校課程設置實踐環(huán)節(jié)比重較大，該課程實驗設置24個學時。同時為了讓學生體會到理論與實際的緊密關系，實驗課程除了Matlab仿真應用外，增設實際對象操作實驗。具體安排如下：

實驗一：控制系統(tǒng)的數(shù)學模型（2學時）

實驗二：典型環(huán)節(jié)模擬電路及其數(shù)學模型（4學時）

實驗三：線性系統(tǒng)的動態(tài)性能分析（2學時）

實驗四：線性系統(tǒng)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差分析（2學時）

實驗五：典型二階系統(tǒng)模擬電路及其動態(tài)性能分析（4學時）

實驗六：線性系統(tǒng)的根軌跡（2學時）

實驗七：典型系統(tǒng)頻域特性分析（4學時）

實驗八：線性系統(tǒng)的頻率法串聯(lián)校正（2學時）

實驗九：線性系統(tǒng)的PID控制（2學時）

3 對象性實驗的設計

學生對看得見、摸得著的東西興趣較大，因此實驗對象的選取在符合理論仿真的同時，需要具備可觀察性和可操作性。上述實驗內容中，實驗二、實驗四、實驗七均采用實際對象進行實驗，實驗對象選擇發(fā)光二極管或者電機（由于電機對于低電壓有死區(qū)，因此制作了特殊的驅動電路）。

3.1 典型環(huán)節(jié)模擬電路及其數(shù)學模型

自動控制原理中典型環(huán)節(jié)為比例、積分、微分、慣性、比例積分和比例微分，研究這些環(huán)節(jié)的特性主要是觀察分析它們的階躍響應以及其參數(shù)的變化對環(huán)節(jié)的影響。該實驗目的是讓學生學會使用模擬電路構造典型環(huán)節(jié)，掌握其特性，并能根據(jù)響應曲線建立傳遞函數(shù)。使用實驗對象觀察這些環(huán)節(jié)的階躍響應，比使用示波器直接觀察波形更具演示性，而且學生也更容易聯(lián)想到其他更多的實際對象。

實驗過程先進行Matlab仿真，如圖1所示，之后再進行實際對象電路搭建實驗，如圖2所示。

以比例積分環(huán)節(jié)為例，其模型相當于比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的并聯(lián)，其仿真原理圖及結果如圖3所示。由于仿真為理想情況，所以其輸出特性只跟設置的仿真極限參數(shù)有關，階躍設置滯后1秒鐘（為了觀察到無階躍的情況）。

將電路連接好如圖4所示，設置比例系數(shù)和積分時間常數(shù)后，閉合開關相當于給系統(tǒng)階躍輸入，電機將會以某一速度（由比例系數(shù)決定）緩慢提速（提速快慢由積分時間常數(shù)決定），當?shù)竭_最大速度時（由電路飽和電壓決定），速度不再增加。 對于發(fā)光二極管則是以某一亮度緩慢變亮，達到某一亮度后停止增加。為了讓學生對實驗結果有量的概念，將轉速及光照強度在實驗模塊上設計電路測量并顯示出來，進行記錄，以便與仿真結果進行比對。

3.2 典型二階系統(tǒng)模擬電路及其動態(tài)性能分析

該實驗的主要目的是為了讓學生掌握典型二階系統(tǒng)模擬電路的構成，學會運用模擬電子元件構造控制系統(tǒng)；掌握二階系統(tǒng)動態(tài)性能指標實測的方法；能夠定量分析阻尼系數(shù)、自然頻率與最大超調量Mp和調節(jié)時間之間的關系；學會根據(jù)系統(tǒng)階躍響應曲線確定傳遞函數(shù)。

典型二階控制系統(tǒng)實驗電路由一個非周期性環(huán)節(jié)和一個積分環(huán)節(jié)串聯(lián)等效而成。在實驗中為了實現(xiàn)參數(shù)的線性調節(jié)，非周期性環(huán)節(jié)使用一個積分環(huán)節(jié)的反饋回路構造。根據(jù)典型積分環(huán)節(jié)的模擬電路構成，得到如圖5所示的二階控制系統(tǒng)模擬電路。

該電路對應的方框圖如圖6所示：

由系統(tǒng)方框圖推導出該二階系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

將該二階系統(tǒng)模擬電路的閉環(huán)傳遞函數(shù)與典型二階控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)的標準式比較，可以得出二階系統(tǒng)的阻尼比為，無阻尼自然振蕩頻率為。

同樣將電路按照圖2方式接入實驗對象，可觀察到改變阻尼系數(shù)（R2的值）后得到二階系統(tǒng)的階躍響應：無阻尼時，電機轉速忽高忽低，呈振蕩狀態(tài)；欠阻尼時電機轉速忽高忽低，但逐漸穩(wěn)定到某值；臨界阻尼和過阻尼時電機轉速逐漸升高到某值穩(wěn)定下來。其仿真原理圖及結果如圖7所示：

3.3 典型系統(tǒng)頻域特性分析

該實驗的主要目的是為了讓學生加深了解模擬典型環(huán)節(jié)及二階系統(tǒng)頻率特性的物理概念；掌握模擬典型環(huán)節(jié)及二階系統(tǒng)頻率特性的實測方法；學會根據(jù)頻率特性建立系統(tǒng)傳遞函數(shù)；了解實際頻率特性與理想特性的不同，并確定近似條件。

頻域特性分析的方法是對典型環(huán)節(jié)輸入幅值固定、頻率可變的正弦信號，觀察輸出的特性。由于實驗對象本身不是純比例環(huán)節(jié)，具有固有頻率，因此要達到演示效果必須設置輸入頻率在對象固有頻率范圍內（小范圍頻率特性）。

以慣性環(huán)節(jié)為例（呈低通特性），輸入頻率較低的正弦信號，電機的轉速也將按正弦規(guī)律高低變化，而且會產(chǎn)生相位差（由正弦的頻率和慣性環(huán)節(jié)的參數(shù)決定）；當頻率高到某值的時候，慣性環(huán)節(jié)輸出電壓驅動的電機兩個方向的最大轉速減小，相位差變大；當頻率再高，慣性環(huán)節(jié)輸出接近零，電機將不會轉動。

4 結語

在自動控制原理實驗中引入實驗對象具有較強的演示效果，而且比較貼近于生活實際和工程實際。如此一來，不僅提高了學生對實驗的興趣，給學生留下比較深刻的印象，而且鍛煉了學生的工程實踐能力，在今后的學習和工作中可以很容易地聯(lián)系到工程實際對象。該實驗在我校已對兩屆學生實施，效果良好，目前正在進一步設計其他實驗內容的對象化，使自動控制原理實驗更具趣味性，以獲得更好的教學效果。

參考文獻

[1] 宋樂鵬.改革自動控制原理實驗教學注重學生工程素質培養(yǎng)[J].中國冶金教育，2009，（1）：65-66.

[2] 劉艷.基于虛擬儀器的“自動控制原理”實驗教學改革探索[J].林區(qū)教學，2009，（11）：9-10.

[3] 張棟.自動控制原理實驗教學改革探索與實踐[J].實驗室科學，2011，（10）：37-40.

[4] 王秀霞.自動控制原理綜合實驗系統(tǒng)的設計[J].實驗室研究與探索，2009，28（10）：62-63.

[5] 胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學出版社，2001：13-14.

基金項目：該課題受桂林電子科技大學信息科技學院院內教改項目：《自動控制原理與仿真實驗教改研究》的資助。項目號：桂電信科2010SJY04

作者簡介：于新業(yè)（1979-），男，桂林電子科技大學信息科技學院講師，碩士，研究方向：模式識別與智能控制；馬姝靚（1981-），女，桂林電子科技大學信息科技學院講師，碩士，研究方向：控制理論與控制工程；易藝（1983-），男，桂林電子科技大學信息科技學院實驗師，研究方向：智能儀器系統(tǒng)。

（責任編輯：黃銀芳）