“自動控制原理”課程實驗設計研究

王玉鵬

摘 要：根據中國工程教育認證標準的要求，文章結合“自動控制原理”課程的特點，通過引用實用型、設計型實驗，實現“理論—實驗”一體化教學的目的。同時以“二階系統的瞬態響應與穩定性”為案例，闡述了實驗的設計目標和設計思路。教學實踐表明，通過自動控制實驗教學，不僅充分發揮學生的創造能力，而且進一步加深對自動控制原理課程基本理論與基本概念的理解，取得良好的教學效果。

關鍵詞：自動控制原理；Labact實驗箱；實驗教學

中國工程教育認證標準要求高校培養的學生具有綜合運用所學科學理論和技術手段分析并解決工程問題的基本能力。掌握必要的工程基礎知識以及本專業的基本理論、基本知識；受到本專業實驗技能、工程實踐、計算機應用、科學研究與工程設計方法的基本訓練，具有創新意識和對新產品、新工藝、新技術和新設備進行研究、開發和設計的初步能力[1]。在大學本科教學過程中，實驗教學是非常重要的一個環節，是理論教學的有益補充，可以培養學生的創新精神和創新能力，訓練學生基本技能。

1 理論教學過程中存在的問題

“自動控制原理”是東北電力大學電氣工程及其自動化專業的一門專業基礎課程，知識覆蓋面廣、內容多、理論性強[2]。老師在本科教學的過程中，通常采用理論教學，復雜的理論和公式推導過程枯燥無味，學生們學習的積極性不高，老師無法通過課堂教學把知識點傳授給學生。

2 實驗教學的主要目標

通過實驗教學可以解決課程理論教學中存在的問題。“自動控制原理”實驗教學的主要目標包括以下幾點。

（1）培養學生分析問題的能力。根據中國工程教育認證標準的要求，通過引用實用型、設計型實驗，讓同學們去驗證課堂上學習到的知識，分析實驗結果。

（2）培養學生的創新能力。依據課堂所學，設計新的實驗，鼓勵學生完成，充分調動學生的學習熱情，加強老師與學生的交流，提高學生的創新能力。

（3）培養學生的動手能力。結合“自動控制原理”課程的教學大綱，在實驗過程中，使學生充分掌握實驗所用儀器、儀表的使用方法，為將來的工作打下基礎。

（4）提高學生的綜合素質。學生通過實用型、設計型實驗能夠綜合運用所學的專業知識，全面提高學生的綜合素質。

3 課程實驗設計

3.1 設計案例

“自動控制原理”的教學中，控制系統的時域分析是一個教學難點。根據“自動控制原理”課程的教學大綱，學生應掌握二階系統對階躍輸入信號的響應。由于二階系統的階躍響應存在欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼三種情況，在本科教學過程中，若只采用理論教學方法，學生將會缺少形象認識，接受效果不是十分理想[3]。考慮到二階系統的阻尼比、極點位置和階躍響應曲線形狀間存在一一對應的關系，在理論教學之后，應用Labact實驗箱，搭建一個典型的I型二階系統，注入單位階躍信號，讓學生觀察和分析系統在欠阻尼，臨界阻尼，過阻尼的瞬態響應曲線，并測量動態性能指標Mp和tp值。

3.2 原理分析

設計搭建的I型二階單位反饋閉環系統模擬電路如圖1所示。主要由積分環節（A2單元）和慣性環節（A3單元）的構成。

模擬電路的閉環傳遞函數為：

可推導得到阻尼比ξ和開環增益K滿足以下關系。（1）臨界阻尼響應：ξ=1，可推得K=2.5，選取R=40 kΩ。（2）欠阻尼響應：0<ξ<1，選取R=4 kΩ，K=25，ξ=0.316。（3）過阻尼響應：ξ>1，選取R=70 kΩ，K=1.43，ξ=1.32>1。

3.3 結果考察

學生結合“自動控制原理”課程所學的知識，計算該系統在階躍信號輸入時的動態性能指標Mp和tp，填入實驗表格如表1所示。

學生應用Labact實驗箱，搭建I型二階閉環系統模擬電路，改變慣性環節中的輸入電阻R（A11）來改變系統的開環增益K，進而改變系統的結構參數[4]。觀察和分析I型二階閉環系統在欠阻尼，臨界阻尼，過阻尼的瞬態響應曲線，如圖2所示。測量動態性能指標Mp和tp值，填入實驗表格。

4 結語

“自動控制原理”課程知識覆蓋面廣、內容理論性強?；诶碚撀撓祵嶋H的思想，引用實用型、設計型實驗，使學生加深對自動控制原理課程基本理論與基本概念的理解，培養了學生的思維能力和創新能力，教學效果顯著。

[參考文獻]

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

[2]強盛，史小平，何朕.基于項目的“自動控制原理課程設計”改革探索[J].實驗室研究與探索，2013（11）：416-418.

[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計[J].高校實驗室工作研究，2008（1）：50-53.

[4]王建輝，徐林，顧樹生.自動控制原理實驗教學的改革[J].實驗室研究與探索，2005（s1）：192-195.