王玉鵬

摘 要：根據(jù)中國(guó)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的要求，文章結(jié)合“自動(dòng)控制原理”課程的特點(diǎn)，通過(guò)引用實(shí)用型、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)“理論—實(shí)驗(yàn)”一體化教學(xué)的目的。同時(shí)以“二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)定性”為案例，闡述了實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)思路。教學(xué)實(shí)踐表明，通過(guò)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造能力，而且進(jìn)一步加深對(duì)自動(dòng)控制原理課程基本理論與基本概念的理解，取得良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理；Labact實(shí)驗(yàn)箱；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中國(guó)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(wèn)題的基本能力。掌握必要的工程基礎(chǔ)知識(shí)以及本專業(yè)的基本理論、基本知識(shí)；受到本專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能、工程實(shí)踐、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、科學(xué)研究與工程設(shè)計(jì)方法的基本訓(xùn)練，具有創(chuàng)新意識(shí)和對(duì)新產(chǎn)品、新工藝、新技術(shù)和新設(shè)備進(jìn)行研究、開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的初步能力[1]。在大學(xué)本科教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，是理論教學(xué)的有益補(bǔ)充，可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，訓(xùn)練學(xué)生基本技能。

1 理論教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題

“自動(dòng)控制原理”是東北電力大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的一門(mén)專業(yè)基礎(chǔ)課程，知識(shí)覆蓋面廣、內(nèi)容多、理論性強(qiáng)[2]。老師在本科教學(xué)的過(guò)程中，通常采用理論教學(xué)，復(fù)雜的理論和公式推導(dǎo)過(guò)程枯燥無(wú)味，學(xué)生們學(xué)習(xí)的積極性不高，老師無(wú)法通過(guò)課堂教學(xué)把知識(shí)點(diǎn)傳授給學(xué)生。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目標(biāo)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以解決課程理論教學(xué)中存在的問(wèn)題?！白詣?dòng)控制原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要目標(biāo)包括以下幾點(diǎn)。

（1）培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題的能力。根據(jù)中國(guó)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的要求，通過(guò)引用實(shí)用型、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，讓同學(xué)們?nèi)ヲ?yàn)證課堂上學(xué)習(xí)到的知識(shí)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（2）培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。依據(jù)課堂所學(xué)，設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生完成，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加強(qiáng)老師與學(xué)生的交流，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（3）培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。結(jié)合“自動(dòng)控制原理”課程的教學(xué)大綱，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使學(xué)生充分掌握實(shí)驗(yàn)所用儀器、儀表的使用方法，為將來(lái)的工作打下基礎(chǔ)。

（4）提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。學(xué)生通過(guò)實(shí)用型、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚓C合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

3 課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)案例

“自動(dòng)控制原理”的教學(xué)中，控制系統(tǒng)的時(shí)域分析是一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)。根據(jù)“自動(dòng)控制原理”課程的教學(xué)大綱，學(xué)生應(yīng)掌握二階系統(tǒng)對(duì)階躍輸入信號(hào)的響應(yīng)。由于二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)存在欠阻尼、臨界阻尼和過(guò)阻尼三種情況，在本科教學(xué)過(guò)程中，若只采用理論教學(xué)方法，學(xué)生將會(huì)缺少形象認(rèn)識(shí)，接受效果不是十分理想[3]。考慮到二階系統(tǒng)的阻尼比、極點(diǎn)位置和階躍響應(yīng)曲線形狀間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，在理論教學(xué)之后，應(yīng)用Labact實(shí)驗(yàn)箱，搭建一個(gè)典型的I型二階系統(tǒng)，注入單位階躍信號(hào)，讓學(xué)生觀察和分析系統(tǒng)在欠阻尼，臨界阻尼，過(guò)阻尼的瞬態(tài)響應(yīng)曲線，并測(cè)量動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)Mp和tp值。

3.2 原理分析

設(shè)計(jì)搭建的I型二階單位反饋閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路如圖1所示。主要由積分環(huán)節(jié)（A2單元）和慣性環(huán)節(jié)（A3單元）的構(gòu)成。

模擬電路的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

可推導(dǎo)得到阻尼比ξ和開(kāi)環(huán)增益K滿足以下關(guān)系。（1）臨界阻尼響應(yīng)：ξ=1，可推得K=2.5，選取R=40 kΩ。（2）欠阻尼響應(yīng)：0<ξ<1，選取R=4 kΩ，K=25，ξ=0.316。（3）過(guò)阻尼響應(yīng)：ξ>1，選取R=70 kΩ，K=1.43，ξ=1.32>1。

3.3 結(jié)果考察

學(xué)生結(jié)合“自動(dòng)控制原理”課程所學(xué)的知識(shí)，計(jì)算該系統(tǒng)在階躍信號(hào)輸入時(shí)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)Mp和tp，填入實(shí)驗(yàn)表格如表1所示。

學(xué)生應(yīng)用Labact實(shí)驗(yàn)箱，搭建I型二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路，改變慣性環(huán)節(jié)中的輸入電阻R（A11）來(lái)改變系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益K，進(jìn)而改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)[4]。觀察和分析I型二階閉環(huán)系統(tǒng)在欠阻尼，臨界阻尼，過(guò)阻尼的瞬態(tài)響應(yīng)曲線，如圖2所示。測(cè)量動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)Mp和tp值，填入實(shí)驗(yàn)表格。

4 結(jié)語(yǔ)

“自動(dòng)控制原理”課程知識(shí)覆蓋面廣、內(nèi)容理論性強(qiáng)?；诶碚撀?lián)系實(shí)際的思想，引用實(shí)用型、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生加深對(duì)自動(dòng)控制原理課程基本理論與基本概念的理解，培養(yǎng)了學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力，教學(xué)效果顯著。

[參考文獻(xiàn)]

[1]劉惠敏.基于MATLAB的自動(dòng)控制原理虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2016（3）：48-52.

[2]強(qiáng)盛，史小平，何朕.基于項(xiàng)目的“自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)”改革探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013（11）：416-418.

[3]顧九春，王品，宋進(jìn)桂，等.《自動(dòng)控制原理》課程虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2008（1）：50-53.

[4]王建輝，徐林，顧樹(shù)生.自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005（s1）：192-195.