“自動控制原理”課程實驗指導(dǎo)與實踐

摘? ?要：文章以“自動控制原理”課程三階系統(tǒng)的時域響應(yīng)教學(xué)為實例，設(shè)計“三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)”自動控制實驗，將理論分析和實驗演示相結(jié)合，加深了學(xué)生對高階系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的理解，取得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：“自動控制原理”;原理實驗;Labact實驗箱

1? ? “自動控制原理”課程概念

工程教育是我國高等教育的重要組成部分，培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才是我國開展工程教育專業(yè)認證的一個主要目標。對工科學(xué)生來說，分析和解決工程實際問題的能力是學(xué)生素質(zhì)內(nèi)涵中一個很重要的方面[1]。實驗教學(xué)是實踐性教學(xué)的一種組織形式，是訓(xùn)練學(xué)生基本技能和培養(yǎng)科研能力的重要手段，在基礎(chǔ)課和專業(yè)課中廣泛應(yīng)用。在大學(xué)本科教學(xué)實踐中應(yīng)注重對學(xué)生工程思維與工程意識的訓(xùn)練，加強創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。作為東北電力大學(xué)電氣工程及其自動化、電子信息工程、智能電網(wǎng)信息工程等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，“自動控制原理”課程與其他基礎(chǔ)課程不同，其實踐性非常強，因此，我們應(yīng)該將工程觀念滲入到課堂教學(xué)當中，培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力[2-3]。

2? ? 實驗教學(xué)的主要任務(wù)

實驗教學(xué)是輔助理論教學(xué)的重要手段和方法，其主要任務(wù)是：學(xué)生通過完成實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，正確獲取、處理實驗數(shù)據(jù)，分析實驗結(jié)果，驗證所學(xué)理論，使學(xué)生具有扎實的理論基礎(chǔ)知識，全面提升學(xué)生的競爭力和綜合素質(zhì)[4]。

3? ? 課程實驗設(shè)計

3.1? 實驗案例

對于本科的“自動控制原理”教學(xué)，掌握時域分析法、分析控制系統(tǒng)的時域響應(yīng)和性能是該門課程的重要內(nèi)容，而在實際控制工程中，人們接觸到的大多是三階和三階以上的高階系統(tǒng)，其時域動態(tài)響應(yīng)十分復(fù)雜。這門課程的概念和術(shù)語抽象，單純利用理論教學(xué)，學(xué)生理解起來比較困難，接受效果不理想。所以，在本科教學(xué)過程中設(shè)計了一節(jié)實驗課：應(yīng)用Labact實驗箱，以三階系統(tǒng)為例，讓學(xué)生了解和掌握求解高階閉環(huán)系統(tǒng)臨界穩(wěn)定增益K的勞斯（Routh）穩(wěn)定判據(jù)法，并調(diào)整系統(tǒng)的開環(huán)增益K，觀察和分析系統(tǒng)在階躍信號作用下系統(tǒng)的不同瞬態(tài)響應(yīng)。

3.2? 實驗原理分析

一般地，典型的Ⅰ型三階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)（單位反饋）為：

（1）

對應(yīng)于公式（1）的Ⅰ型三階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路如圖1所示，由兩部分組成：積分環(huán)節(jié)（A2單元）、慣性環(huán)節(jié)（A3單元和A5單元）。其中，積分環(huán)節(jié)的時間常數(shù)Ti=R1×C1=1 s，慣性環(huán)節(jié)A3的慣性時間常數(shù)T1=R3×C2=0.1 s，K1=R3/R2=1，另一個慣性環(huán)節(jié)A5的慣性時間常數(shù)T2=R4×C3=0.5 s，K=R4/R。

模擬電路的各環(huán)節(jié)參數(shù)代入式（1），該電路的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

（2）

利用勞斯（Routh）穩(wěn)定判據(jù)法求解高階閉環(huán)系統(tǒng)臨界穩(wěn)定增益K，閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為：

（3）

建立得Routh行列表為：

依據(jù)ROUTH穩(wěn)定判據(jù)，如果此I型三階閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的，那么上面列寫的勞斯表中的第一列系數(shù)應(yīng)全大于零，可得：

（4）

進而推得系統(tǒng)的臨界穩(wěn)定增益K=12（R=41.7 kΩ）。

3.3? 實驗結(jié)果考察

首先，學(xué)生結(jié)合“自動控制原理”課程所學(xué)的知識，運用勞斯（Routh）穩(wěn)定判據(jù)法，求出此I型三階閉環(huán)系統(tǒng)臨界穩(wěn)定增益K。

其次，學(xué)生可使用Labact實驗箱搭建所需模擬電路，在元件庫中選擇可變電阻（30 kΩ，41.7 kΩ，225 kΩ）來調(diào)整系統(tǒng)的開環(huán)增益K，觀察和分析Ⅰ型三階系統(tǒng)在階躍信號作用下系統(tǒng)的穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定及不穩(wěn)定3種瞬態(tài)響應(yīng)，如圖2所示。

4? ? 結(jié)語

“自動控制原理”課程概念抽象，與數(shù)學(xué)聯(lián)系緊密，內(nèi)容理論性強，通過引入實用型、設(shè)計型實驗，不僅使學(xué)生們良好地完成課程學(xué)習(xí)任務(wù)，同時激發(fā)了學(xué)生們濃厚的學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)奠定了堅實的基礎(chǔ)，提高了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，全面提升學(xué)生的競爭力和綜合素質(zhì)。

[參考文獻]

[1]劉惠敏.基于Matlab的自動控制原理虛擬實驗教學(xué)平臺設(shè)計[J].實驗室科學(xué)，2016（3）：48-52.

[2]王玉鵬.“自動控制原理”課程實驗設(shè)計研究[J].無線互聯(lián)科技，2018（4）：109-110.

[3]顧九春，王品，宋進桂，等.“自動控制原理”課程虛擬實驗平臺的設(shè)計[J].高校實驗室工作研究，2008（1）：50-53.

[4]李農(nóng)莊，侯國蓮，張建華.Matlab環(huán)境下的自動控制原理教學(xué)軟件開發(fā)[J].現(xiàn)代電力，1999（3）：80-81.

Experimental guidance and practice of the course “Principles of Automatic Control”

Wang Yupeng

（School of Electrical Engineering， Northeast Electric Power University， Jilin 132012， China）

Abstract：Taking the teaching of the time domain response of the third-order system of the course “Principles of Automatic Control” as an example， this paper designs an automatic control experiment of “the stability and transient response of the third-order system”， combines theoretical analysis with experimental demonstration， deepens students understanding of the relationship between the dynamic response performance of higher-order systems and achieves good teaching results.

Key words：“Principles of Automatic Control”; designed experiment; Labact experiment box