宋 燕

(上海市現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，教育部光學(xué)儀器與系統(tǒng)工程研究中心，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 200093)

淺談學(xué)生分析與設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)
——以三階控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析為例

宋 燕

(上海市現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，教育部光學(xué)儀器與系統(tǒng)工程研究中心，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 200093)

本文以三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析為例，講述了自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課程由驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)為主向分析與設(shè)計(jì)性為主進(jìn)行教學(xué)改革的必要性。倡導(dǎo)該課程應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生綜合分析與設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，讓實(shí)驗(yàn)課程真正成為理論課程的延展和補(bǔ)充，從而加強(qiáng)學(xué)生對理論知識的理解。

三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性；自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)；教學(xué)改革；分析與設(shè)計(jì)

0 引言

自動(dòng)控制原理課程不僅是自動(dòng)化專業(yè)的基礎(chǔ)課，而且在機(jī)械、電氣、測控、儀器儀表、電子信息等工科專業(yè)課程也具有很重要的作用。該課程知識面廣，理論綜合性強(qiáng)，內(nèi)容比較抽象，學(xué)生難以將理論上所描述的系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)相結(jié)合，易造成理論與實(shí)際的脫節(jié)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論課的延展和補(bǔ)充，它可以幫助學(xué)生借助實(shí)驗(yàn)的方式更好地理解理論知識，并加強(qiáng)理論知識和實(shí)踐內(nèi)容的結(jié)合，所以加強(qiáng)實(shí)踐能力的教學(xué)是非常必要的。然而，長期以來，該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式單一，教學(xué)方法死板，學(xué)生只要按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的步驟去做，就能順利測到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)。這種按部就班驗(yàn)證性的教學(xué)方式很難讓學(xué)生真正的進(jìn)行思考和分析，所以他們對實(shí)驗(yàn)過程和工作原理等根本無法理解，更談不上應(yīng)用。因此，自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)應(yīng)從驗(yàn)證性的教學(xué)轉(zhuǎn)為培養(yǎng)學(xué)生分析與設(shè)計(jì)能力的教學(xué)模式：旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，啟發(fā)學(xué)生思維，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)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(yǎng)

這部分我們將以三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析為例談一下如何由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證性教學(xué)轉(zhuǎn)化為分析與設(shè)計(jì)性教學(xué)為主的實(shí)驗(yàn)課程。傳統(tǒng)的驗(yàn)證性為主的實(shí)驗(yàn)課程首先會(huì)給出三階控制系統(tǒng)的模擬電路，然后畫出相應(yīng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，從而得到系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)，最后按照模擬電路連接線路測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。下面我們按照綜合分析的方法給出系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)思路：首先，給出三階系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)，如

易見，式(2)定義的三階系統(tǒng)可以視為由一個(gè)積分環(huán)節(jié)，兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)比例環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，其中比例環(huán)節(jié)是線性可調(diào)節(jié)的，即由可調(diào)電阻構(gòu)成。由此，可以得到三階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：

圖1 三階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于實(shí)驗(yàn)中使用的運(yùn)放均采用反相端輸入，由圖1分析可知，為使得輸出響應(yīng)曲線與輸入信號相位相反，應(yīng)在反饋回路中加一個(gè)反相器，從而得到的三階控制系統(tǒng)模擬電路如圖2所示。

圖2 三階控制系統(tǒng)模擬電路

在模擬電路建立的基礎(chǔ)上，運(yùn)用勞斯穩(wěn)定判據(jù)來研究系統(tǒng)的穩(wěn)定條件與開環(huán)增益的關(guān)系，由此來確定臨界穩(wěn)定增益。假設(shè)則系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

由勞斯穩(wěn)定性判據(jù)可知系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是勞斯表的第一列數(shù)系數(shù)均為正值，所以可得開環(huán)傳遞函數(shù)(3)確定的系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件為

至此，分析過程結(jié)束，接下來就是按照模擬電路圖(2)連接實(shí)驗(yàn)電路，求出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證理論分析結(jié)果的正確性。以上實(shí)驗(yàn)分析過程可簡化為以下流程：

圖3 實(shí)驗(yàn)分析過程流程圖

2 結(jié)論

本文以三階系統(tǒng)穩(wěn)定性分析為例闡述了傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)課程的不足，提出了實(shí)驗(yàn)課程上加強(qiáng)學(xué)生綜合分析與設(shè)計(jì)能力的重要性。本文提出的綜合分析方法，可加深學(xué)生對典型控制理論基本原理及系統(tǒng)綜合方法的理解，極大調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和加強(qiáng)學(xué)生對問題的分析解決能力，從而學(xué)生的創(chuàng)新能力也會(huì)得到提高。綜上所述，綜合分析與設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)將是自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)課程改革的方向。

[1] 柳明，王海軍，郭慶葉，自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，第15卷， 第4期，2012: 58 - 60.

[2] 熊曉君，自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教程，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3] 楊欣，蘇玉剛，謝昭莉，李斌，工程類專業(yè)的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系探究，實(shí)驗(yàn)室研究與探索，第30卷，第10期，2011: 312 - 314.

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[5] 張棟，自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索與實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，第14卷，第5期，2011: 37 - 40.

[6] 劉燦，龍祖強(qiáng)，譚延亮，許岳兵，自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索，電子制作，2013: 147.

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(xué)基金（13ZR1428500）、上海市教委創(chuàng)新項(xiàng)目(14YZ083)

宋燕，1979—，女，四川成都人，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院控制科學(xué)與工程系，講師，博士，研究方向：網(wǎng)絡(luò)化控制，預(yù)測控制，隨機(jī)系統(tǒng)