自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

杜欣慧,王 瑛,宋建成,胡慧敏

(太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,山西太原030024)

0 引言

自動(dòng)控制理論是研究有關(guān)自動(dòng)控制技術(shù)基礎(chǔ)理論的一門課程,是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課,是學(xué)生接觸的第一門控制類課程,又是電氣系學(xué)生后續(xù)專業(yè)課的前緒課程,因此學(xué)生對(duì)控制理論的掌握程度,直接影響到其它課程的學(xué)習(xí)。自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)課程同時(shí)又是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的課程,通過(guò)實(shí)驗(yàn)可增進(jìn)學(xué)生的理解,減輕或消除學(xué)習(xí)困難,也是培養(yǎng)學(xué)生分析能力、動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力、自主學(xué)習(xí)能力的重要環(huán)節(jié)。因此,自動(dòng)控制理論課程實(shí)驗(yàn)是自動(dòng)控制理論課程教學(xué)中必不可少的重要環(huán)節(jié)。然而,目前自動(dòng)控制理論課程學(xué)時(shí)減少,實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)更少,那么如何在較少的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)內(nèi)使學(xué)生掌握更多的實(shí)驗(yàn)技能,本文作者給出了自己的一些經(jīng)驗(yàn)。

1 傳統(tǒng)的自動(dòng)控制理論課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)

自動(dòng)控制理論課程實(shí)驗(yàn)受限于實(shí)驗(yàn)設(shè)備與器材條件,因此各高校自動(dòng)控制理論課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)也不盡相同。大多數(shù)學(xué)校使用模擬仿真器,我校使用的自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)箱是浙江求是科教設(shè)備有限公司生產(chǎn)的ACT-1型實(shí)驗(yàn)箱。自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)箱在使用中最大的不足就是其靈活性與擴(kuò)充性受到極大的限制。由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有限,每個(gè)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)電路基本是固定的,電路中可變化的實(shí)驗(yàn)參數(shù)又是有限的。學(xué)生做實(shí)驗(yàn),只要熟悉實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書內(nèi)容、按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書接線,按步驟操作,即可在計(jì)算機(jī)屏幕上出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)曲線,學(xué)生記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及曲線,實(shí)驗(yàn)即宣告完成。一般情況下,實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師還會(huì)在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行詳細(xì)的講解和說(shuō)明。這樣,學(xué)生很快就會(huì)把實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出來(lái)。在這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较?綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)較少,學(xué)生沒(méi)有熱情,依賴性強(qiáng),獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力較低,更沒(méi)有創(chuàng)新性。

2 MATLAB在自動(dòng)控制理論課程實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

MAT LAB是目前國(guó)際上最流行的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的軟件工具,MATLAB環(huán)境下的動(dòng)態(tài)仿真集成環(huán)境Simulink是一個(gè)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。在利用MATLAB結(jié)合Simulink進(jìn)行仿真時(shí),可以充分運(yùn)用其方便的人機(jī)交互方式,設(shè)計(jì)出界面生動(dòng)、形象、直觀的自動(dòng)控制系統(tǒng)。并且在仿真過(guò)程中,可以任意修改模型的各個(gè)參數(shù),從而繪制出不同的仿真曲線,分析結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)直觀的圖形化顯示。

MAT LAB及其軟件工具包的開發(fā),使得它在自動(dòng)控制方面的應(yīng)用愈來(lái)愈普遍。自動(dòng)控制軟件包主要擔(dān)任自動(dòng)控制領(lǐng)域里的大量繁瑣的計(jì)算與繪制仿真曲線的任務(wù)。軟件包運(yùn)行環(huán)境MATLAB6.5及以上版本,在這個(gè)環(huán)境下,我校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)所開設(shè)的實(shí)驗(yàn)有:連續(xù)系統(tǒng)的“典型一階系統(tǒng)階躍響應(yīng)”,“一般系統(tǒng)階躍響應(yīng)”,“單位脈沖響應(yīng)”,“控制系統(tǒng)的零極點(diǎn)分布圖”,“控制系統(tǒng)的根軌跡圖”,“控制系統(tǒng)的 Bode圖”,“控制系統(tǒng)的Nichols圖”,“控制系統(tǒng)的Nyquist圖”,“典型非線性環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的影響”等實(shí)驗(yàn)。離散系統(tǒng)的“離散系統(tǒng)階躍響應(yīng)”,“離散系統(tǒng)脈沖響應(yīng)”,“離散系統(tǒng)根軌跡圖”,“離散系統(tǒng)Bode圖”,“離散系統(tǒng)的 Nichols圖”,“離散系統(tǒng)的Nyquist圖”等實(shí)驗(yàn)。

圖1、圖2和圖3所示分別為利用MAT LAB仿真軟件所做的控制系統(tǒng)的Nichols圖,控制系統(tǒng)的Nyquist圖和繪制的根軌跡圖。

圖1 控制系統(tǒng)的Nichols圖

圖2 控制系統(tǒng)的 Nyquist圖

圖3 根軌跡圖

3 自動(dòng)控制理論課程綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究

基于MAT LAB結(jié)合Simulink的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ绞且环N借助于純數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的模式,其便于操作,擴(kuò)展性好?；赟imulink仿真軟件設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)試時(shí),可以利用軟件中元器件庫(kù)提供的虛擬的電子元器件、信號(hào)源、控制器件及電子儀器,可以像實(shí)際電路接線一樣,組成典型的控制環(huán)節(jié)和系統(tǒng),十分簡(jiǎn)單方便。

線性系統(tǒng)的校正是控制理論的一個(gè)重要內(nèi)容,且工程實(shí)踐性很強(qiáng)。對(duì)于這種設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),我們對(duì)學(xué)生的基本要求是提交設(shè)計(jì)方案和實(shí)驗(yàn)報(bào)告,鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)校正方案搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容既有實(shí)物模擬實(shí)驗(yàn),又有上機(jī)仿真實(shí)驗(yàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生增強(qiáng)了感性認(rèn)識(shí),同時(shí)理性認(rèn)識(shí)也獲得升華。通常上機(jī)實(shí)驗(yàn)安排2個(gè)學(xué)時(shí)來(lái)完成。

線性系統(tǒng)校正實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生熟悉串聯(lián)校正裝置對(duì)線性系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性的影響,掌握串聯(lián)校正裝置的設(shè)計(jì)方法和參數(shù)調(diào)試技術(shù)。學(xué)生首先要根據(jù)動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)串聯(lián)校正裝置,計(jì)算校正裝置參數(shù)。接著在加入串聯(lián)校正裝置后觀測(cè)校正裝置參數(shù)改變對(duì)系統(tǒng)性能的影響。然后對(duì)線性系統(tǒng)串聯(lián)校正裝置利用MATLAB進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。最后比較電路模擬和數(shù)字仿真結(jié)果。

例子:設(shè)單位反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)。若要使系統(tǒng)開環(huán)超調(diào)量滿足,相角裕度不小于50°,幅值裕度不小于10dB,試求系統(tǒng)的校正裝置。

校正前系統(tǒng)的模擬電路如圖4所示。

圖4 校正前系統(tǒng)的模擬電路

圖5 校正后系統(tǒng)的模擬電路

利用MATLAB可以得到校正前和校正后系統(tǒng)的伯德圖,分別如圖6和圖7所示。

圖6 校正前系統(tǒng)的伯德圖

圖7 校正后系統(tǒng)的伯德圖

在Simulink仿真環(huán)境下采用超前校正裝置,Simulink模型如圖8所示,其中校正前和校正后系統(tǒng)的閉環(huán)單位負(fù)反饋階躍響應(yīng)曲線如圖9、圖10所示。

圖8 加校正環(huán)節(jié)前、后的仿真模型

圖9 校正前的單位階躍響應(yīng)曲線

圖10 校正后的單位階躍響應(yīng)曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)控制理論的實(shí)驗(yàn)教學(xué),既要培養(yǎng)學(xué)生的分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力,還要重視培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力。在實(shí)驗(yàn)的安排次序上由簡(jiǎn)單到復(fù)雜,由驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)到設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn),最后進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn),由淺入深,循序漸進(jìn)。我校目前自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)分配如下:基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)2學(xué)時(shí),MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)2學(xué)時(shí),綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)2學(xué)時(shí)。經(jīng)過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)安排,取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果,學(xué)生的科研素養(yǎng)和分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力得以大大提高,既使學(xué)生加深了對(duì)控制理論的理解,又能掌握把控制理論應(yīng)用于實(shí)際控制系統(tǒng)的方法和技能。

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