“自动控制原理”与仿真实验相结合的教学方法研究

王丽馨

（东北电力大学 电气工程学院，吉林 吉林 132012）

“自动控制原理”是研究自动控制共同规律的技术科学，是介绍自动控制理论的基本概念、自动控制系统的分析方法、设计方法的基础理论课程。

另一方面，中国工程教育认证标准要求高校培养的学生具有综合运用所学科学理论和技术手段分析并解决工程问题的基本能力，受到本专业实验技能、工程实践、计算机应用、科学研究与工程设计方法的基本训练。对于新时代的毕业生而言，不仅仅要掌握扎实的理论基础，同时更要具有一定的实践能力。实验教学方式很好地将理论知识与实践能力相结合，培养和训练学生在动手实践方面的能力[1]。

1 教学存在的问题

“自动控制原理”这门课程是东北电力大学电气工程及其自动化专业设置的一门专业基础课程，同时也是本科自动化专业的一门主干课程。该门课程理论较强，公式推导多，抽象难懂，对于抽象的理论久而久之学生会失去学习的乐趣；另一方面，传统的授课方式中，教师以理论教学为主，缺乏理论与实践的紧密结合，同时学习起来也会让学生感到非常吃力[2]。

2 实验教学核心内容与目标

实验教学作为“自动控制原理”的重要组成成分，对于保障教学质量具有关键性作用。通过实验教学环节巩固加深所学内容，将理论学习和动手实践有机结合起来[3]。

“自动控制原理”实验教学的目标主要包括：（1）培养学生运用所学理论分析解决实际问题的能力。通过动手实验，加深课堂理论知识的学习。（2）培养学生动手实践能力。实验操作是培养动手能力的最好途径。使学生熟悉实验仪器，进而完成实验设备的连接和调试工作[4]。

3 应用型实验的设计

3.1 设计案例

时域仿真分析是“自动控制原理”课程的一个重要分析法。而二阶系统在“自动控制原理”课程和实验教学中都占有重要位置。本节以二阶系统为例展开分析。对于控制系统而言，开环增益大到无法满足稳定性能所要求的数值时，系统有可能不稳定，或者动态性能不满足设计要求。为此，需要在系统的前向通道中加一个超前校正装置，使得系统的动态性能指标能满足设计的要求。因此，本文设计了一个教学实验环节，以Labact实验箱为仿真平台，首先让学生对一个二阶系统的时域仿真曲线和各项性能指标的分析，若不满足要求，通过加入一个超前装置，再进行观察和分析。

3.2 实验原理分析

设计二阶闭环系统模拟电路如图1所示。它是典型I型二阶单位反馈闭环系统，由积分环节（A3单元）和惯性环节（A5单元）的构成，其积分时间常数Ti=R*C2=0.25 s，惯性时间常数T1=R2*C1=0.5 s。

图1 未校正系统的模拟电路

二阶系统（Ⅰ型）闭环传递函数为：

由各性能指标计算公式可以得到，图1二阶系统的自然频率、阻尼比、超调量和调节时间为：自然频率ωn＝6.32；阻尼比ξ＝0.158；超调量Mp＝60%；调节时间ts=4。

要求设计校正装置，使系统满足下述性能指标：

Mp≤25%；ts≤1 sMp≤25%和ts≤1 s

加入控制系统的超前（微分）校正网络模拟电路标准式为：

利用公式计算可得到校正后系统的超调量和调节时间为：

计算结果满足设计要求。

3.3 实验预期结果分析

学生结合“自动控制原理”课程所学知识，搭建二阶闭环系统，同时利用课堂所学理论，设计校正装置，观察校正后系统的各项性能指标，与预期个指标进行比较分析。

学生利用Labact试验箱，搭建I型二阶闭环系统模拟电路及超前校正装置，以阶跃响应信号为测试信号，通过观察和分析时域响应曲线的超调量值和调节时间，实现提高系统性能指标的目的。未校正系统和校正后系统的阶跃响应曲线分别如图2和图3所示。

图2 未校正系统的阶跃响应曲线

图3 校正后系统的阶跃响应曲线

4 结语

“自动控制原理”课程理论性较强，基于中国工程教育认证标准对于学生培养方面的理论联系实际要求，构建实践教学体系，设计动手实践教学环节，达到加深学生对于“自动控制原理”课程基础知识的理解，通过动手实践培养学生对于学习的乐趣，进而将实践教学延伸到科研学术活动，提高教学效果。

[参考文献]

[1]贾渭娟，马小菊.应用型技术本科“自动控制原理”课程改革探索[J].通讯世界，2015（5）：198.

[2]段纳，高庆争.自动控制原理教学中的问题及对策探讨[J].曲阜师范大学学报（自然科学版），2011（2）：7-10.

[3]吴昊，吴学伟.实验教学目标与实验教学[J].红河学院学报，2013（2）：115-117.

[4]余建潮.依托实验教学示范中心加强学生实验能力的培养[J].实验技术与管理，2013（3）：117-119.