“自動(dòng)控制原理”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與教學(xué)改革思考

盛守照, 葉馮超, 孫臣武

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 江蘇 南京 210016)

“自動(dòng)控制原理”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與教學(xué)改革思考

盛守照, 葉馮超, 孫臣武

(南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院， 江蘇 南京 210016)

“自動(dòng)控制原理”課程作為自動(dòng)化專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程，它對實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了很高要求。本文針對“自動(dòng)控制原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合典型的伺服實(shí)驗(yàn)平臺，從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革兩方面探討提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的措施，以深化學(xué)生對控制理論的理解，提升學(xué)生的實(shí)踐能力。

自動(dòng)控制原理；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革；伺服系統(tǒng)

0 引言

“自動(dòng)控制原理”課程作為自動(dòng)化專業(yè)主干課程，涵蓋面廣，理論性強(qiáng)，內(nèi)容抽象。學(xué)好該門課程，不僅需要數(shù)學(xué)和電類等方面知識，還需要將理論與實(shí)際相結(jié)合[1]。目前，國內(nèi)多數(shù)高校的“自動(dòng)控制原理”課程采用以下幾種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式：①運(yùn)用Matlab開展控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真。通過建模得到對象傳遞函數(shù)，再運(yùn)用時(shí)域和頻域方法進(jìn)行系統(tǒng)性能分析與綜合設(shè)計(jì)[2]。這一過程主要在理論層面研究抽象的傳遞函數(shù)，學(xué)生難以建立控制器與被控對象的相互關(guān)系概念。②利用硬件實(shí)驗(yàn)箱作為實(shí)驗(yàn)工具，開展控制系統(tǒng)相似模擬實(shí)驗(yàn)。例如使用電阻、電容和電感等元器件模擬比例、積分、微分和慣性等典型環(huán)節(jié)[3]，這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ饺狈χ庇^性。③利用復(fù)雜的控制系統(tǒng)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。例如利用倒立擺、小車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和三容水箱作為對象構(gòu)建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺，再利用Matlab開展控制設(shè)計(jì)，但這些復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)平臺往往不適用于基礎(chǔ)教學(xué)[4]。

因此，有必要從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩方面探討提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的措施，以深化學(xué)生對控制理論的理解，提升學(xué)生的實(shí)踐能力。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)改革

伺服控制系統(tǒng)輸出能夠以一定準(zhǔn)確度跟隨輸入變化，快速跟蹤和準(zhǔn)確定位是其重要技術(shù)指標(biāo)，符合自動(dòng)控制原理的穩(wěn)、準(zhǔn)、快的控制思想[5]。從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)角度而言，以伺服控制系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺，能將理論與應(yīng)用緊密結(jié)合，可以更好地鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，增強(qiáng)學(xué)生的工程經(jīng)驗(yàn)。

圖1為針對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)改革所設(shè)計(jì)的伺服控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)平臺。作為執(zhí)行元件的力矩電機(jī)與反饋元件的光電編碼器同軸安裝于臺體內(nèi)部，臺體頂部圓盤為負(fù)載設(shè)備，電機(jī)直接與圓盤相連驅(qū)動(dòng)負(fù)載。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)平臺配備了不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的負(fù)載，可通過固定支架安裝在轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)盤頂部，從而可以有效模擬不同負(fù)載特性的系統(tǒng)。

圖1 伺服系統(tǒng)及其控制器實(shí)物圖

圖2 伺服控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

以位置控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為例說明，控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中，β和Kv分別為電流環(huán)和速度環(huán)反饋系數(shù)，θr,θc和Tc分別為系統(tǒng)輸入輸出和擾動(dòng)輸入信號，ep為位置誤差信號，ωr為速度環(huán)指令信號，u為伺服系統(tǒng)的控制電壓信號，Gv1(s)和Gv2(s)組合構(gòu)成速度回路串聯(lián)校正，Gpl(s)和Gp2(s)組合構(gòu)成位置回路串聯(lián)校正，Gf(s)為前饋補(bǔ)償控制，Gn(s)為擾動(dòng)補(bǔ)償控制，擾動(dòng)耦合通道的傳遞函數(shù)為Kn(τns+1)。

學(xué)生通過配置位置環(huán)和速度環(huán)各控制環(huán)節(jié)，可開展不同類型的控制實(shí)驗(yàn)，具體包含以下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：

(1)開環(huán)系統(tǒng)建模實(shí)驗(yàn)：通過階躍響應(yīng)或頻率

圖3 位置控制結(jié)構(gòu)圖

特性實(shí)驗(yàn)，對開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行建模。例如對開環(huán)系統(tǒng)施加不同頻率的激勵(lì)信號u，通過對記錄的輸入輸出信號進(jìn)行FFT(快速傅里葉)變換，得到開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性，如圖4所示，學(xué)生可根據(jù)頻率特性曲線擬合開環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

圖4 頻率特性圖

(2)伺服系統(tǒng)時(shí)域和頻域響應(yīng)實(shí)驗(yàn)：通過整定速度環(huán)和位置環(huán)控制參數(shù)，改善伺服系統(tǒng)跟蹤位置指令信號的能力，圖5為伺服系統(tǒng)位置階躍響應(yīng)曲線實(shí)例圖。

圖5 位置階躍響應(yīng)

(3)伺服系統(tǒng)頻域校正實(shí)驗(yàn)：采用頻域法整定串聯(lián)校正環(huán)節(jié)參數(shù)，以改善系統(tǒng)跟蹤性能。頻域校正除了常規(guī)的超前校正、滯后校正、滯后-超前校正外，本實(shí)驗(yàn)平臺還引入了二級串聯(lián)校正，主要用于提供較大相角超前量等情況。

(4)伺服系統(tǒng)復(fù)合校正實(shí)驗(yàn)：對于控制系統(tǒng)存在的外部擾動(dòng)，尤其是低頻擾動(dòng)，或者對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度和響應(yīng)速度要求很高時(shí)，單獨(dú)采用反饋控制校正往往難以滿足要求，為此結(jié)合前饋校正和串聯(lián)校正兩種方式，以更好地改善系統(tǒng)輸出性能。

同理，可利用綜合實(shí)驗(yàn)平臺開展速度控制實(shí)驗(yàn)。由此可見，綜合實(shí)驗(yàn)平臺具備現(xiàn)實(shí)控制系統(tǒng)的完整性及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多樣性的特點(diǎn)與優(yōu)勢，提供了豐富的可選實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并且貼合工程實(shí)際，有助于學(xué)生通過實(shí)踐加深對控制理論的理解，為提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力及動(dòng)手能力提供了很好的實(shí)驗(yàn)條件。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

2.1 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)平臺，完善教學(xué)內(nèi)容

“自動(dòng)控制原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要立足于專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，從改革和完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容入手，全面審視以往實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的問題，充分利用綜合實(shí)驗(yàn)平臺的資源優(yōu)勢，對實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化與整合。

在實(shí)驗(yàn)類型上看，利用綜合實(shí)驗(yàn)平臺可開設(shè)理論驗(yàn)證型、功能設(shè)計(jì)型和系統(tǒng)綜合型等多種實(shí)驗(yàn)形式，由淺入深、循序漸進(jìn)。

理論驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)以理論基礎(chǔ)為核心，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證控制基礎(chǔ)理論，加強(qiáng)對控制基本概念的理解，例如開展階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可直觀觀察不同控制結(jié)構(gòu)和參數(shù)下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

功能設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)給定實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)要求，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并加以實(shí)現(xiàn)，例如PID實(shí)驗(yàn)、串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)和擾動(dòng)補(bǔ)償控制實(shí)驗(yàn)等，要求學(xué)生結(jié)合基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)所獲得的結(jié)論，設(shè)計(jì)出滿足一定性能要求的控制系統(tǒng)，鍛煉學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

系統(tǒng)綜合型實(shí)驗(yàn)是在了解和掌握上述的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開拓創(chuàng)新，要求學(xué)生以整個(gè)控制系統(tǒng)為對象設(shè)計(jì)出一套能滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)要求的控制方案，這類實(shí)驗(yàn)可在提升學(xué)生系統(tǒng)觀念的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步培養(yǎng)其獨(dú)立思考、創(chuàng)新研究和知識綜合的能力。

基于綜合實(shí)驗(yàn)平臺開展多類型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，能充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)平臺適應(yīng)各層次教學(xué)的優(yōu)勢，獲得更加全面的教學(xué)效果。

2.2 強(qiáng)化教師團(tuán)隊(duì)，提高教學(xué)水平

教師作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主導(dǎo)者，對學(xué)生實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的順利進(jìn)行有著重要的引導(dǎo)作用。隨著綜合實(shí)驗(yàn)平臺的建立，對實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師提出了更高的要求。例如在開展實(shí)驗(yàn)平臺模型辨識實(shí)驗(yàn)、頻域校正實(shí)驗(yàn)、復(fù)合校正實(shí)驗(yàn)時(shí)，這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都涉及到自動(dòng)控制理論多個(gè)關(guān)鍵知識點(diǎn)；在開展大型探究性綜合實(shí)驗(yàn)往往會涉及到工程實(shí)踐問題，這都要求實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師必須具有豐富的工程經(jīng)驗(yàn)及實(shí)踐教學(xué)能力。因此，有必要大力強(qiáng)化教師團(tuán)隊(duì)，要求理論授課教師參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，與具有工程經(jīng)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師一同編制實(shí)驗(yàn)任務(wù)，將抽象的理論知識與實(shí)踐環(huán)節(jié)相結(jié)合，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)平臺的資源優(yōu)勢。

此外，可以選拔優(yōu)秀的研究生參加實(shí)驗(yàn)室教學(xué)指導(dǎo)工作。研究生經(jīng)過專業(yè)知識學(xué)習(xí)，加上參與科研項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，能較快掌握實(shí)驗(yàn)平臺的使用，作為教師團(tuán)隊(duì)的輔助力量參與到實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作中來。為此可將班級按固定人數(shù)進(jìn)行分組，每個(gè)小組配置一名研究生參與指導(dǎo)，從實(shí)驗(yàn)操作及理論講解方面對學(xué)生進(jìn)行更加深入有針對性地指導(dǎo)。

2.3 改革考核方式，改善教學(xué)效果

作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績評定的標(biāo)準(zhǔn)，考核方式對于實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有導(dǎo)向作用。制定合理有效的考核方式，對于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)積極性具有促進(jìn)作用。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程的考核往往以課堂實(shí)驗(yàn)成果及課后實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量作為評判標(biāo)準(zhǔn)。由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的一致性，實(shí)驗(yàn)過程中往往出現(xiàn)抄襲現(xiàn)象，課后提交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告也存在雷同現(xiàn)象，導(dǎo)致考核結(jié)果難以反映學(xué)生的真實(shí)水平，這導(dǎo)致降低了實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生的積極性與主動(dòng)性，造成了綜合實(shí)驗(yàn)平臺資源的低效利用，難以達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。實(shí)驗(yàn)考核方式的改革，要求充分發(fā)揮考核的目標(biāo)導(dǎo)向性，在監(jiān)督實(shí)驗(yàn)過程的同時(shí)，提倡個(gè)性化發(fā)展，激勵(lì)探索精神，具體可以從以下兩點(diǎn)入手。

(1)建立以基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與綜合實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的新型考核方式。綜合實(shí)驗(yàn)平臺的建設(shè)，為基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)與綜合型實(shí)驗(yàn)的開展提供了理想的硬件平臺。對于這兩種實(shí)驗(yàn)類型，分別采用不同的考核方法?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)部分的考核以減分方式進(jìn)行評價(jià)，根據(jù)“自動(dòng)控制原理”實(shí)驗(yàn)課程要求掌握的知識點(diǎn)設(shè)置評分點(diǎn)，重在考核學(xué)生掌握基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)技能的情況。綜合實(shí)驗(yàn)部分的考核以加分方式進(jìn)行評價(jià)，對學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)難度與完成狀況進(jìn)行評分。這兩部分在實(shí)驗(yàn)成績中各占一定比重，與實(shí)驗(yàn)報(bào)告一起，共同決定學(xué)生最終的實(shí)驗(yàn)成績。這種方式兼顧了考核學(xué)生基礎(chǔ)理論的掌握情況和綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)能力，從而更加客觀地評價(jià)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的表現(xiàn)。

(2)建立一對一與一對多的復(fù)合型考核方式。一對一考核由一位教師與一位學(xué)生面對面進(jìn)行，考核過程中，學(xué)生不僅需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)成果展示，同時(shí)需要結(jié)合理論分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，例如在位置階躍信號實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生不僅需要給出優(yōu)化的控制參數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還需要在與指導(dǎo)教師一對一的實(shí)驗(yàn)考核中分析各控制參數(shù)對輸出響應(yīng)的影響。教師不單以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為唯一評判標(biāo)準(zhǔn)，還應(yīng)根據(jù)學(xué)生的實(shí)際理解程度進(jìn)行打分。一對多考核以分組的方式進(jìn)行，學(xué)生以綜合實(shí)驗(yàn)的分組為單位，統(tǒng)一參加考核，主要展示綜合實(shí)驗(yàn)中各成員的分工與合作情況，指導(dǎo)教師根據(jù)各成員自身的工作量及對小組貢獻(xiàn)度，有區(qū)分地為各成員進(jìn)行單獨(dú)打分。這一考核方式能使教師深入了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，分組考核方式可以避免小組成員互相抄襲的現(xiàn)象，兩種方式相結(jié)合，可更好地調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的積極性。

3 結(jié)語

“自動(dòng)控制原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的好壞，取決于諸多因素，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與教學(xué)改革起著至關(guān)重要的作用。綜合實(shí)驗(yàn)平臺所集成的多樣化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為學(xué)生探究學(xué)習(xí)和個(gè)性發(fā)展提供了良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過本實(shí)驗(yàn)顯著地提高了學(xué)生的動(dòng)手能力，增強(qiáng)了學(xué)生對控制理論的理解，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)真正成為全面提升學(xué)生綜合素質(zhì)和培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新人才的重要手段。

[1] 王建輝,徐林. 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革[J]. 上海: 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2005,24( S1):192-194.

[2] 劉云龍,王瑞蘭. 基于Matlab仿真的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J]. 上海: 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2015,6:102-106.

[3] 齊曉慧,董海瑞. 基于“三層次”的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J]. 南京: 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2006,3:80-84.

[4] 孫大衛(wèi),丁興俊. 一種典型自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備研究[J]. 北京: 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2011,7: 79-81.

[5] 孫前來. 隨動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)字化改造及其應(yīng)用[J]. 南京: 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 30(6): 58-60．

The Experimental Design and Teaching Reform for the Course of Automatic Control Principle

SHENG Shou-zhao, YE Feng-chao, SUN Chen-wu

(CollegeofAutomationEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

The course of Automatic Control Principle is an important basic specialty course in the subject of control. As a result, the experimental design and teaching reform for the course of Automatic Control Principle should meet a higher requirement to improve the students′ practical abilities and project consciousness. In view of the present situation and problems of the experimental teaching, the measures to improve the experiment teaching quality are investigated in the experimental design and teaching reform, which allows the students to extend and deepen the understanding of the basic principle of the course of Automatic Control Principle.

automatic control principle; experimental design; experimental teaching reform; servo system

2016-03-17;

2016-07- 18

南京航空航天大學(xué)本科教學(xué)改革項(xiàng)目(1603ZJ)

盛守照(1977-)，男，博士，教授，主要從事自動(dòng)控制教學(xué)與科研工作，E-mail: shengsz@nuaa.edu.cn

G642.0

A

1008-0686(2017)01-0131-04