韓 楊

(電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，成都 611731)

工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革與探索

韓 楊

(電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，成都 611731)

介紹了基于LabACT硬件實(shí)驗(yàn)平臺的工程控制基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的改革與探索，以頻域系統(tǒng)分析與矯正為案例，通過LabACT硬件平臺對基礎(chǔ)理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。學(xué)生以模擬電路結(jié)構(gòu)圖為基礎(chǔ)，推導(dǎo)傳遞函數(shù)表達(dá)式并設(shè)計(jì)超前補(bǔ)償控制器，通過LabACT平臺對課堂講解的基礎(chǔ)理論進(jìn)行驗(yàn)證，將抽象的理論形象化，增強(qiáng)了學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣，極大地提高了教學(xué)質(zhì)量。

工程控制；LabACT硬件平臺；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；頻域響應(yīng)

近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)電類、電氣信息類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要性日益凸顯，眾多高校逐步推行理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合的創(chuàng)新教學(xué)模式[1-2]。基于計(jì)算機(jī)軟件和硬件平臺的實(shí)驗(yàn)課程改革與創(chuàng)新是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的必然選擇[3-4]。工程控制基礎(chǔ)是電氣信息類專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，以信號與系統(tǒng)、微積分等課程為前續(xù)課程，理論難度大，學(xué)生掌握課程內(nèi)容存在較大困難。筆者和課程組成員對該課程教學(xué)方法及教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了深入研究，創(chuàng)新教學(xué)方法，將LabACT硬件實(shí)驗(yàn)平臺用于課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，進(jìn)行了有益的探索[5-6]。

本文對工程控制基礎(chǔ)課程實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行探索，采用如圖1所示的LabACT硬件實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行時(shí)域響應(yīng)、頻域響應(yīng)、系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)等模塊的課程實(shí)驗(yàn)，以頻域系統(tǒng)分析與矯正為案例，通過LabACT硬件平臺對基礎(chǔ)理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。學(xué)生以模擬電路結(jié)構(gòu)圖為基礎(chǔ)，推導(dǎo)傳遞函數(shù)表達(dá)式并設(shè)計(jì)超前補(bǔ)償控制器，通過LabACT平臺對課堂講解的基礎(chǔ)理論進(jìn)行驗(yàn)證，增強(qiáng)了學(xué)生對課程的學(xué)習(xí)興趣，將抽象的理論形象化，極大地提高了教學(xué)質(zhì)量，取得了良好的教學(xué)效果。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮?/h2>

頻域法校正主要是通過觀察和分析被控對象的開環(huán)對數(shù)幅頻特性和相頻特性(波德圖)來實(shí)現(xiàn)的。需要讓學(xué)生掌握超前校正的原理；掌握利用閉環(huán)和開環(huán)的對數(shù)幅頻特性和相頻特性完成超前校正網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)計(jì)算；掌握在被控系統(tǒng)中如何串入超前校正網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建性能滿足指標(biāo)要求的新系統(tǒng)的方法。

超前校正的原理是：利用超前校正網(wǎng)絡(luò)的相角超前特性，使中頻段斜率由-40 dB/dec變?yōu)?20 dB/dec并占據(jù)較大的頻率范圍，從而使系統(tǒng)相角裕度增大，動(dòng)態(tài)過程超調(diào)量下降；并使系統(tǒng)開環(huán)截止頻率增大，從而使閉環(huán)系統(tǒng)帶寬增大，響應(yīng)速度加快。超前校正網(wǎng)絡(luò)的電路圖及伯德圖如圖1所示。

圖1 超前校正網(wǎng)絡(luò)的電路圖及伯德圖

超前校正網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為：

(1)

網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)為：

(2)

在設(shè)計(jì)超前校正網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)使網(wǎng)絡(luò)的最大超前相位角φm盡可能出現(xiàn)在校正后的系統(tǒng)的幅值穿越頻率ωc′處，即ωm=ωc′。網(wǎng)絡(luò)最大超前相位角為：

(3)

φm處的對數(shù)幅頻值為：

(4)

網(wǎng)絡(luò)的最大超前角頻率為：

(5)

從式(1)可知，接入超前校正網(wǎng)絡(luò)后，被校正系統(tǒng)的開環(huán)增益要下降a倍。為了保持與系統(tǒng)未校正前的開環(huán)增益相一致，接入超前校正網(wǎng)絡(luò)后，必須另行提高系統(tǒng)的開環(huán)增益a倍來補(bǔ)償。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟

頻率特性測試的步驟如下：

1)觀測被控系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性L(ω)和相頻特性φ(ω)，幅值穿越頻率ωc，相位裕度γ，按“校正后系統(tǒng)的相位裕度γ′要求”設(shè)計(jì)校正參數(shù)，構(gòu)建校正后系統(tǒng)；

2)觀測校正前、后時(shí)域特性曲線，測量校正后系統(tǒng)的相位裕度γ′、超調(diào)量Mp、峰值時(shí)間tP；

3)改變“校正后系統(tǒng)的相位裕度γ”要求，設(shè)計(jì)校正參數(shù)，構(gòu)建校正后系統(tǒng)，畫出系統(tǒng)模擬電路圖和階躍響應(yīng)曲線，觀測校正后相位裕度γ′、超調(diào)量Mp、峰值時(shí)間tP。

2.1 未校正系統(tǒng)的時(shí)域特性測試

圖3為未校正系統(tǒng)的模擬電路圖，通過公式推導(dǎo)，可得開環(huán)傳遞函數(shù)為：

(6)

圖2 未校正系統(tǒng)模擬電路圖

通過在LabACT硬件實(shí)驗(yàn)平臺搭建系統(tǒng)模型，可得如圖3所示的未校正系統(tǒng)時(shí)域特性曲線。

圖3 未校正系統(tǒng)的時(shí)域特性曲線實(shí)驗(yàn)波形

2.2 未校正系統(tǒng)的頻域特性測試

圖4為未校正系統(tǒng)的開環(huán)伯德圖，測得未校正系統(tǒng)的頻域特性：穿越頻率ωc=9.49 rad/s，相位裕度γ=19°。根據(jù)控制理論可知，系統(tǒng)穩(wěn)定裕度不足。

下面探討如何利用LabACT硬件平臺進(jìn)行超前矯正。

圖4 未校正系統(tǒng)開環(huán)伯德圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 超前校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在未校正系統(tǒng)模擬電路的開環(huán)伯德圖上測得未校正系統(tǒng)的相位裕度γ=19°。如果要求校正后系統(tǒng)的相位裕度γ′=52°，則網(wǎng)絡(luò)的最大超前相位角必須為：

(7)

式中：Δ為考慮γ(ωc<ωc′)所減的角度，一般取5°～10°。根據(jù)式(3)可計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)：

(8)

算出網(wǎng)絡(luò)的最大超前相位角φm處的對數(shù)幅頻值為：LC(jm)=7 dB，串聯(lián)超前校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)：T=0.031 s。令C=1 μF，計(jì)算出：R4=155 kΩ，R5=38.7 kΩ。因此，超前校正網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為：

(9)

為了補(bǔ)償接入超前校正網(wǎng)絡(luò)后，被校正系統(tǒng)的開環(huán)增益要下降a倍，必須另行提高系統(tǒng)的開環(huán)增益a倍。因?yàn)閍=5，所以校正后系統(tǒng)另行串入開環(huán)增益應(yīng)等于5的運(yùn)放A4。

2.4 串聯(lián)超前校正后系統(tǒng)的頻域特性測試

圖5為串聯(lián)超前校正后系統(tǒng)頻域特性測試的模擬電路圖，串聯(lián)超前校正后系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

(10)

圖5 串聯(lián)超前校正后系統(tǒng)頻域特性測試的模擬電路圖

學(xué)生根據(jù)穩(wěn)定裕度的要求可以自主設(shè)計(jì)矯正參數(shù)，并在LabACT硬件平臺上用模擬電路的形式完成跳線連接。學(xué)生反饋表明，該方法比純理論教學(xué)趣味性更強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)波形可以在電腦上實(shí)時(shí)顯示，交互性很好，對培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，提升學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量都有良好的效果。

圖6 串聯(lián)超前校正后系統(tǒng)的時(shí)域特性曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)束語

本文以頻域系統(tǒng)分析與矯正為案例，介紹LabACT硬件平臺對基礎(chǔ)理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的案例分析。該案例以模擬電路結(jié)構(gòu)圖為基礎(chǔ)，通過推導(dǎo)傳遞函數(shù)表達(dá)式并設(shè)計(jì)超前補(bǔ)償控制器，通過LabACT平臺對課堂講解的基礎(chǔ)理論進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)踐表明，本文所采用的教學(xué)模式將抽象的理論形象化、寓教于樂，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，顯著地提高了教學(xué)質(zhì)量，對類似課程開展基于硬件平臺的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的思路。

[1]趙雪梅. 仿真技術(shù)在單片機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2013，11(3): 22-24.

[2]蘇玉萍. 《數(shù)字電子技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探析[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2013，11(3): 81-83.

[3]羅文廣，陳文輝，胡波，等. 電氣信息類專業(yè)多元化實(shí)踐教學(xué)模式的構(gòu)建[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32(5): 137-141.

[4]王波，張巖，王美玲，等. “模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)”課程的改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32(4)：140-143.

[5]許麗川，葉小龍，李逢春，等.基于dSPACE的三相交流異步電機(jī)SVPWM實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29(9)：51-55.

[6]張曉瀛，馬東堂，王德剛. 美國MIT電氣科學(xué)與工程專業(yè)本科生培養(yǎng)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(4)：8-10.

Reform and Investigation on Experiment Teaching for Control Engineering Basics Based on LabACT Platform

HAN Yang

(School of Mechatronics Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

This paper introduces the reform and investigation of experiment teaching for control engineering basics based on the LabACT hardware platform. The frequency domain analysis and system correction are presented, and theoretical analysis is confirmed by experiments using LabACT hardware. The students utilize analog simulation diagram to derive the transfer function and the lead compensator is designed. The fundamental theories of control engineering basics validated by using LabACT platform, which stimulates the learning interest, and significantly improved the teaching efficiency.

control engineering; LabACT platform; experimental teaching; frequency domain response

2013-10-17；修改日期: 2014-10-25

電子科技大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(2672011ZYGX2011J093)；電子科技大學(xué)教學(xué)改革基金資助項(xiàng)目(2013XJYEL024)。

韓 楊(1982-)，男，博士，副教授，研究方向：電力電子裝置與系統(tǒng)、新能源發(fā)電與智能微電網(wǎng)、電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償與有源濾波、多電平逆變器等。

G642.0；TM762

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.038