孫太任 張軍

摘? 要：本文根據(jù)新工科人才培養(yǎng)理念，面向一流本科專業(yè)，針對“自動控制原理課程設(shè)計”中存在的問題，提出了以項目為主線的課程設(shè)計模式，將控制系統(tǒng)的分析與綜合融為一體，以期提高學生分析、解決復雜工程問題的能力。課程設(shè)計以激光陀螺抖動控制環(huán)路為研究對象，進行系統(tǒng)穩(wěn)定性、時域性能、根軌跡、頻域性能、離散系統(tǒng)、系統(tǒng)校正等內(nèi)容的分析與設(shè)計，構(gòu)建從控制系統(tǒng)分析到綜合的完整體系，并借助計算機仿真軟件 Matlab 進行輔助設(shè)計，使系統(tǒng)滿足性能指標的要求。實踐結(jié)果表明，通過課程設(shè)計教學改革，可有效提高學生的控制系統(tǒng)工程實踐能力、創(chuàng)新能力，以及團隊協(xié)作能力。

關(guān)鍵詞：自動控制原理課程設(shè)計 控制設(shè)計項目 新工科 復雜工程問題

中圖分類號：G642文獻標識碼：A文章編號：???????????

Teaching Reform of "Curriculum Design of Automatic Control Principle" under the Background of New Engineering

SUN Tairen1? ZHANG Jun2

（1. School of Health Science and Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai， 200093 China;

2. School of Electrical and Information Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu Province， 212013 China）

Abstract： According to the concept of cultivating new engineering talents and facing the first-class undergraduate majors， this paper puts forward the project-based curriculum design mode in view of the existing problems in the “Curriculum design of automatic control principle”. The analysis and synthesis of control system are integrated in order to improve students' ability to analyze and solve complex engineering problems. The course design takes the dithering control loop of laser gyro as the research object， analyzes and designs the system stability， time domain performance， root locus， frequency domain performance， discrete system and system correction， constructs a complete system from control system analysis to synthesis， and carries out auxiliary design with the help of computer simulation software Matlab to make the system meet the requirements of performance indicators. The practice results show that the curriculum design teaching reform can effectively improve students' practical ability， innovation ability and teamwork ability of control system engineering.

Key Words： Curriculum design on automatic control principle; Control design project; New engineering; Complex engineering problem

2017年2月，教育部提出“新工科理念”，內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才。作為電子類及相關(guān)專業(yè)的專業(yè)必修課程，“自動控制原理課程設(shè)計”對新工科^[1-3]下人才的培養(yǎng)起著重要的支撐作用。該課程意在培養(yǎng)學生利用經(jīng)典控制理論解決實際控制問題的能力，是在經(jīng)典控制理論學完之后，利用一周左右時間進行的課程設(shè)計，要求學生能用時域法、頻域法對實際控制系統(tǒng)進行分析和設(shè)計，并借助Matlab 進行輔助設(shè)計，滿足系統(tǒng)各個性能指標。

“自動控制原理課程設(shè)計”在培養(yǎng)學生應用創(chuàng)新能力和工程實踐能力方面扮演著極為重要的角色^[4]。然而，傳統(tǒng)的課程設(shè)計大多是單純利用 Matlab對基本控制理論進行驗證，導致學生的知識點支離破碎，對控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計仍然無從下手，難以提高解決復雜工程問題能力。針對這種情況，對“自動控制原理課程設(shè)計”進行教學改革和創(chuàng)新^[5-8]尤為必要。本文中，我們秉承“新工科理念”，以激光陀螺抖動控制^[9]環(huán)路為研究對象，將項目做為主線貫穿在整個課程設(shè)計中，進行系統(tǒng)穩(wěn)定性、時域性能、根軌跡、頻域性能、離散系統(tǒng)、系統(tǒng)校正等內(nèi)容的分析與設(shè)計，并借助計算機仿真軟件 Matlab 進行輔助設(shè)計，從而將控制系統(tǒng)分析與綜合設(shè)計融為一體，形成控制系統(tǒng)分析和綜合的完整體系，以期提高學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

1 “自動控制原理課程設(shè)計”設(shè)計題目

結(jié)合我國載人航天和火星登陸的航天熱點，展開本次課程設(shè)計的思政教育，闡述自動控制在國防GNC領(lǐng)域中的重要地位，以及面臨的挑戰(zhàn)，激發(fā)學生的學習熱情。設(shè)計題目選自于導航領(lǐng)域中的熱點問題——激光去抖系統(tǒng)分析與設(shè)計?；赟agnac效應的激光陀螺具有量測精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，已廣泛運用于慣導系統(tǒng)，但其內(nèi)部存在閉鎖效應使其不能敏感于低于閉鎖閾值的轉(zhuǎn)動角速度的變化。本課程設(shè)計目的是設(shè)計激光去抖系統(tǒng)消除閉鎖效應。在這方面，目前最廣泛運用模擬正弦驅(qū)動激光陀螺，另外施加一個交變的機械抖動，使工作點脫離鎖區(qū)，從而減小閉鎖誤差^[10]。為了保持交變機械抖動在時間溫度等條件下的穩(wěn)定，需要實現(xiàn)閉環(huán)抖動控制（見圖1）。

抖動控制環(huán)路的廣義開環(huán)傳遞函數(shù)如下：

該模型不是自控原理教材中典型的二階系統(tǒng)，具有一定的廣度，擴大了學生對被控對象的認識。

2 “自動控制原理課程設(shè)計”設(shè)計流程

課程設(shè)計將激光去抖系統(tǒng)做為主線貫穿在整個課程設(shè)計中，將文獻[10]系統(tǒng)校正問題進一步深入，進行控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、時域性能、根軌跡、頻域性能、離散系統(tǒng)、系統(tǒng)校正等內(nèi)容的分析與設(shè)計，并借助計算機仿真軟件 Matlab 進行輔助設(shè)計，具體流程為：

（1） 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析：當T₀=10， 1， 0.1， 0.01不同數(shù)值時，分析單位負反饋下的抖動控制環(huán)路的穩(wěn)定性。這部分主要學生思考勞斯判據(jù)和求根兩種方法在判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的異同點，拓展理解 Matlab 輔助設(shè)計的必要性，并且從抖動控制電路原理思考為什么需要判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性，如果系統(tǒng)不穩(wěn)定怎么處理？

（2） 輸出響應：當T₀=10， 1， 0.1， 0.01不同數(shù)值時，求出閉環(huán)系統(tǒng)的沖激響應曲線，階躍響應曲線（單位負反饋），分析T₀的大小對輸出性能的影響，用M語言命令函數(shù)和Simulink兩種方式完成，這部分主要加強學生理解系統(tǒng)參數(shù)對輸出響應的影響。

（3） 時域指標：求出閉環(huán)抖動控制環(huán)路的時域指標，包括上升時間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間及穩(wěn)態(tài)誤差等。這部分要求學生從仿真圖直接觀測時域指標，并與理論計算值相比較。

（4） 根軌跡繪制：當T₀=[0， +∞]變化時，畫出抖動控制環(huán)路的根軌跡圖，求出系統(tǒng)穩(wěn)定的范圍;

（5） 幅相曲線：畫出T₀=10， 1， 0.1， 0.01時的奈氏曲線圖，這部分從頻域角度來分析閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（6） 頻域指標：畫出T₀=10， 1， 0.1， 0.01時抖動控制環(huán)路的波特圖，求出相應的相較裕度和幅值裕度，截止頻率，思考漸近線方法和MATLAB畫波特圖的差別在哪里;分析頻域指標與時域指標關(guān)系;這部分要求學生會從仿真圖中讀出相位和幅值裕度。

（7） 系統(tǒng)校正：當T₀=0.017時，設(shè)計超前校正網(wǎng)絡使得抖動控制環(huán)路截止頻率大于21rad/s，相角裕度大于45度，畫出校正網(wǎng)絡的Bode圖和階躍響應曲線;這部分要求分析抖動控制系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性之間關(guān)系，寫出設(shè)計校正流程，并采用 Matlab 進行輔助設(shè)計校驗性能指標。

（8） 離散系統(tǒng)：當采樣周期分別為T=10， 1， 0.1， 0.01，T₀=1時，求出抖動控制環(huán)路離散化模型，判斷離散系統(tǒng)模型的穩(wěn)定性，畫出離散沖激響應和階躍響應，并分析周期T對閉環(huán)控制系統(tǒng)暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能的影響。根據(jù)上述仿真結(jié)果，分析采樣周期選取規(guī)則。這部分要求學生根據(jù)差分方程寫出輸出響應，加深離散系統(tǒng)的工作原理。

（9） PID參數(shù)設(shè)計：圖1中的抖動結(jié)構(gòu)開環(huán)傳遞函數(shù)如下：

采用Simulink，根據(jù)試湊法設(shè)計PID控制器，實現(xiàn)在階躍響應信號跟蹤，分析P、I、D這3個參數(shù)的作用，以及調(diào)試規(guī)則，為后續(xù)的過程控制課程做鋪墊。

3? 成績評定方法

成績考核以計算機仿真和設(shè)計報告為考核依據(jù)。成績等級分為優(yōu)、良、及格、不及格。百分制評分標準如表 1 所示。

上述自動控制原理課程設(shè)計教學改革已在教學中進行試驗。學生高度認可課程設(shè)計模式，認為該模式把控制理論、仿真、設(shè)計等有機結(jié)合起來，加深了自動控制原理頻域和時域、連續(xù)和離散、分析與綜合等知識點的聯(lián)系與區(qū)別，有效提高學生的控制系統(tǒng)工程實踐能力、創(chuàng)新能力，以及團隊協(xié)作能力。

4? 結(jié)語

基于新工科人才培養(yǎng)目標，本文提出以激光陀螺抖動控制環(huán)路為主線的自動控制課程設(shè)計模式，進行系統(tǒng)穩(wěn)定性、時域性能、根軌跡、頻域性能、離散系統(tǒng)、系統(tǒng)校正等內(nèi)容的分析與設(shè)計，將控制系統(tǒng)的分析與綜合融為一體，有效提高學生的控制系統(tǒng)工程實踐能力、創(chuàng)新能力，以及團隊協(xié)作能力。

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