浅谈学生分析与设计能力的培养——以三阶控制系统的稳定性分析为例

宋 燕

(上海市现代光学系统重点实验室，教育部光学仪器与系统工程研究中心，上海理工大学光电信息与计算机工程学院 200093)

浅谈学生分析与设计能力的培养
——以三阶控制系统的稳定性分析为例

宋 燕

(上海市现代光学系统重点实验室，教育部光学仪器与系统工程研究中心，上海理工大学光电信息与计算机工程学院 200093)

本文以三阶系统的稳定性分析为例，讲述了自动控制原理实验课程由验证性实验教学为主向分析与设计性为主进行教学改革的必要性。倡导该课程应加强学生综合分析与设计能力的培养，让实验课程真正成为理论课程的延展和补充，从而加强学生对理论知识的理解。

三阶系统的稳定性；自动控制原理实验；教学改革；分析与设计

0 引言

自动控制原理课程不仅是自动化专业的基础课，而且在机械、电气、测控、仪器仪表、电子信息等工科专业课程也具有很重要的作用。该课程知识面广，理论综合性强，内容比较抽象，学生难以将理论上所描述的系统与实际系统相结合，易造成理论与实际的脱节。

实验教学是理论课的延展和补充，它可以帮助学生借助实验的方式更好地理解理论知识，并加强理论知识和实践内容的结合，所以加强实践能力的教学是非常必要的。然而，长期以来，该课程的实验教学模式单一，教学方法死板，学生只要按照实验指导书上的步骤去做，就能顺利测到实验数据，完成实验。这种按部就班验证性的教学方式很难让学生真正的进行思考和分析，所以他们对实验过程和工作原理等根本无法理解，更谈不上应用。因此，自动控制原理实验课程的教学应从验证性的教学转为培养学生分析与设计能力的教学模式：旨在培养学生的创新能力，启发学生思维，激发学习兴趣，提高学生综合分析能力和解决问题的能力。

1 综合分析能力的培养

这部分我们将以三阶系统的稳定性分析为例谈一下如何由实验验证性教学转化为分析与设计性教学为主的实验课程。传统的验证性为主的实验课程首先会给出三阶控制系统的模拟电路，然后画出相应的控制系统结构图，从而得到系统开环传递函数，最后按照模拟电路连接线路测量实验数据。下面我们按照综合分析的方法给出系统分析与设计思路：首先，给出三阶系统的开环传递函数，如

易见，式(2)定义的三阶系统可以视为由一个积分环节，两个惯性环节和一个比例环节串联而成，其中比例环节是线性可调节的，即由可调电阻构成。由此，可以得到三阶系统结构图如下：

图1 三阶控制系统结构图

由于实验中使用的运放均采用反相端输入，由图1分析可知，为使得输出响应曲线与输入信号相位相反，应在反馈回路中加一个反相器，从而得到的三阶控制系统模拟电路如图2所示。

图2 三阶控制系统模拟电路

在模拟电路建立的基础上，运用劳斯稳定判据来研究系统的稳定条件与开环增益的关系，由此来确定临界稳定增益。假设则系统的开环传递函数为

由劳斯稳定性判据可知系统稳定的充分必要条件是劳斯表的第一列数系数均为正值，所以可得开环传递函数(3)确定的系统稳定的充分必要条件为

至此，分析过程结束，接下来就是按照模拟电路图(2)连接实验电路，求出实验数据，验证理论分析结果的正确性。以上实验分析过程可简化为以下流程：

图3 实验分析过程流程图

2 结论

本文以三阶系统稳定性分析为例阐述了传统验证性实验课程的不足，提出了实验课程上加强学生综合分析与设计能力的重要性。本文提出的综合分析方法，可加深学生对典型控制理论基本原理及系统综合方法的理解，极大调动了学生学习的积极性和加强学生对问题的分析解决能力，从而学生的创新能力也会得到提高。综上所述，综合分析与设计能力的培养将是自动控制原理实验课程改革的方向。

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Discussion on ability training of analysis and design for students— A example of the stability analysis of three order system

Song Yan
(Shanghai Key Laboratory of Modern Optical System,and Engineering Research Center of Optical Instrument and System, Ministry of Education, School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Jungong Road No.516,Yangpu district,Shanghai, 200093)

By analyzing the stability of three order system, we present the necessity of the education reform on the course of the experiment of automatic control theory from verification teaching to analysis and design teaching.In this paper,we insist that the curriculum should strengthen the cultivation of analysis ability and design ability of the students.In this way,the experiment course could become the extension and complementary of the theoretic course,thus enhance the understanding for the students on theoretic knowledge.

stability of three order system;experiment of automatic control theory;teaching reform; analysis and design

上海市自然科学基金（13ZR1428500）、上海市教委创新项目(14YZ083)

宋燕，1979—，女，四川成都人，上海理工大学光电信息与计算机工程学院控制科学与工程系，讲师，博士，研究方向：网络化控制，预测控制，随机系统