王麗馨

（東北電力大學 電氣工程學院，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，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、設計方法的基礎理論課程。

另一方面，中國工程教育認證標準要求高校培養(yǎng)的學生具有綜合運用所學科學理論和技術(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、計算機應用、科學研究與工程設計方法的基本訓練。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，同時更要具有一定的實踐能力。實驗教學方式很好地將理論知識與實踐能力相結(jié)合，培養(yǎng)和訓練學生在動手實踐方面的能力[1]。

1 教學存在的問題

“自動控制原理”這門課程是東北電力大學電氣工程及其自動化專業(yè)設置的一門專業(yè)基礎課程，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，公式推導多，抽象難懂，對于抽象的理論久而久之學生會失去學習的樂趣；另一方面，傳統(tǒng)的授課方式中，教師以理論教學為主，缺乏理論與實踐的緊密結(jié)合，同時學習起來也會讓學生感到非常吃力[2]。

2 實驗教學核心內(nèi)容與目標

實驗教學作為“自動控制原理”的重要組成成分，對于保障教學質(zhì)量具有關鍵性作用。通過實驗教學環(huán)節(jié)鞏固加深所學內(nèi)容，將理論學習和動手實踐有機結(jié)合起來[3]。

“自動控制原理”實驗教學的目標主要包括：（1）培養(yǎng)學生運用所學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習。（2）培養(yǎng)學生動手實踐能力。實驗操作是培養(yǎng)動手能力的最好途徑。使學生熟悉實驗儀器，進而完成實驗設備的連接和調(diào)試工作[4]。

3 應用型實驗的設計

3.1 設計案例

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)性能指標能滿足設計的要求。因此，本文設計了一個教學實驗環(huán)節(jié)，以Labact實驗箱為仿真平臺，首先讓學生對一個二階系統(tǒng)的時域仿真曲線和各項性能指標的分析，若不滿足要求，通過加入一個超前裝置，再進行觀察和分析。

3.2 實驗原理分析

設計二階閉環(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。

要求設計校正裝置，使系統(tǒng)滿足下述性能指標：

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)絡模擬電路標準式為：

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)果滿足設計要求。

3.3 實驗預期結(jié)果分析

學生結(jié)合“自動控制原理”課程所學知識，搭建二階閉環(huán)系統(tǒng)，同時利用課堂所學理論，設計校正裝置，觀察校正后系統(tǒng)的各項性能指標，與預期個指標進行比較分析。

學生利用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，以階躍響應信號為測試信號，通過觀察和分析時域響應曲線的超調(diào)量值和調(diào)節(jié)時間，實現(xiàn)提高系統(tǒng)性能指標的目的。未校正系統(tǒng)和校正后系統(tǒng)的階躍響應曲線分別如圖2和圖3所示。

圖2 未校正系統(tǒng)的階躍響應曲線

圖3 校正后系統(tǒng)的階躍響應曲線

4 結(jié)語

“自動控制原理”課程理論性較強，基于中國工程教育認證標準對于學生培養(yǎng)方面的理論聯(lián)系實際要求，構(gòu)建實踐教學體系，設計動手實踐教學環(huán)節(jié)，達到加深學生對于“自動控制原理”課程基礎知識的理解，通過動手實踐培養(yǎng)學生對于學習的樂趣，進而將實踐教學延伸到科研學術(shù)活動，提高教學效果。

[參考文獻]

[1]賈渭娟，馬小菊.應用型技術(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.自動控制原理教學中的問題及對策探討[J].曲阜師范大學學報（自然科學版），2011（2）：7-10.

[3]吳昊，吳學偉.實驗教學目標與實驗教學[J].紅河學院學報，2013（2）：115-117.

[4]余建潮.依托實驗教學示范中心加強學生實驗能力的培養(yǎng)[J].實驗技術(shù)與管理，2013（3）：117-119.