郭 凱

0 引言

《自動(dòng)控制原理》課程是電子信息、自動(dòng)化、電氣專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其中有建立微分方程、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖、根軌跡分析、時(shí)域分析法、頻域分析法和離散域分析法，在學(xué)習(xí)中教師發(fā)現(xiàn)隨著課程內(nèi)容的增多學(xué)生的學(xué)習(xí)效果越來(lái)越不理想，單純的理論講述會(huì)使學(xué)習(xí)產(chǎn)生記憶疲勞，單純的推導(dǎo)過(guò)程有助于提高對(duì)結(jié)論的記憶但也會(huì)使部分學(xué)生的學(xué)習(xí)效率變低，針對(duì)此類學(xué)生需要把結(jié)論記住并運(yùn)用即可，而在實(shí)驗(yàn)課程中理論講解較少，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驅(qū)動(dòng)下學(xué)生必須回頭掌握相關(guān)的理論知識(shí)或者結(jié)論，這就增加這部分學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，可以通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合形成反饋閉環(huán)促進(jìn)提高學(xué)習(xí)效果，本文用自動(dòng)控制原理中第五章頻率特性分析為例對(duì)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)論述，頻率特性是該課程的重點(diǎn)及難點(diǎn)部分，在本書占的篇幅較多，由于開(kāi)始過(guò)程推導(dǎo)些許煩瑣，影響學(xué)生對(duì)這后續(xù)章節(jié)的理解和應(yīng)用，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通過(guò)MATLAB 中Simulink 對(duì)頻率特性概念進(jìn)行直觀驗(yàn)證，增加學(xué)生的自主設(shè)計(jì)能力也加深學(xué)生對(duì)定義的理解，對(duì)后續(xù)課程也有幫助。

1 教學(xué)內(nèi)容安排

（1）教學(xué)目的：掌握頻率特性定義及的測(cè)定方法，用Simulink 設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)并通過(guò)Bode 圖數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證頻率特性。

（2）實(shí)驗(yàn)原理：

圖1 被測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

頻率特性的概念：當(dāng)線性系統(tǒng)輸入一個(gè)頻率為ω的正弦信號(hào)時(shí)，固定其幅值改變其頻率，此時(shí)系統(tǒng)輸出是隨ω 變換而變化的，系統(tǒng)輸出與輸入的復(fù)數(shù)比為頻率特性。被測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

系 統(tǒng) 的 頻 率 特 性 為G(jω)=G1(jω)·G2(jω)是 一 個(gè) 復(fù)變量可以表示成以角頻率ω 為參數(shù)的幅值和相角。G(jω)=|G(jω)|·∠G(jω)開(kāi) 環(huán) 頻 率 特 性 為G1(jω)·G2(jω)·H采用對(duì)數(shù)幅頻特性和相頻 特 性 表 示 為=20lg|B(jω)|-20lg|E(jω)|∠G1(jω)·G2(jω)·H(jω)=∠B(jω)-∠E(jω)。

設(shè)G(s)為最小相位系統(tǒng)，在輸入端加r(t)=Asin(ωt)則輸出為y(t)=A|G(jω)|sin(ωt+∠G(jω))。

2 實(shí)施步驟

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通過(guò)Simulink 仿真出動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。采用三個(gè)示波器分別觀察輸入信號(hào)、偏差信號(hào)、輸出信號(hào)（反饋信號(hào)），改變其輸入信號(hào)的頻率分別觀察記錄，實(shí)驗(yàn)中注意由示波器觀察輸入信號(hào)時(shí)看到的是周期，可通過(guò)來(lái)轉(zhuǎn)化，在觀察偏差信號(hào)與反饋信號(hào)的波形時(shí)主要觀察在同一頻率下兩者幅值之間的比值即和 兩 者 相 位 差∠B(jω)-∠E(jω)，但 是實(shí)驗(yàn)中觀察到的為時(shí)域坐標(biāo)圖，可根據(jù)兩者穩(wěn)定滯后的峰值或者谷谷值之差Δ(t)，通過(guò)公式可算出φ(ω)即∠B(jω)-∠E(jω)。分別讀出數(shù)據(jù)得到數(shù)據(jù)表1，通過(guò)描點(diǎn)繪圖繪制出系統(tǒng)的Bode 圖。

圖2 系統(tǒng)仿真動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

表1 數(shù)據(jù)表

（3）通過(guò)MATLAB 程序語(yǔ)言驗(yàn)證上述步驟的結(jié)果與之對(duì)比。

G(S)=tf([10],[0.0110])

BODE(G(S))

Bode 圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)bode 圖

3 結(jié)論

讓學(xué)生通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，縷清教學(xué)設(shè)計(jì)思路，在實(shí)際動(dòng)手過(guò)程中既可明白結(jié)論的由來(lái)也可知道通過(guò)何種方法驗(yàn)證結(jié)論，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)理論知識(shí)有更加深刻的理解，增加自己的分析事務(wù)的能力也增加自主學(xué)習(xí)能力，沒(méi)有枯燥的理論推導(dǎo)，使理論知識(shí)較薄弱的學(xué)生通過(guò)直觀的結(jié)論現(xiàn)象就可以滿足當(dāng)下的成就感，增加學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而增加對(duì)當(dāng)下環(huán)節(jié)的掌握，而后續(xù)課程又是一環(huán)扣一環(huán)，在課堂理論教學(xué)中見(jiàn)到自己熟悉的知識(shí)點(diǎn)在學(xué)習(xí)后續(xù)課程就會(huì)有熟悉感從而促進(jìn)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。該模式在其他課程中都有良好的體現(xiàn)，也增加學(xué)生對(duì)整個(gè)專業(yè)課程體系的理解并起到相互聯(lián)系的作用。