新工科背景下“自動控制原理課程設計”教學改革
2021-03-21 05:34:09孫太任張軍
科技創新導報 2021年29期
孫太任 張軍
摘? 要：本文根據新工科人才培養理念，面向一流本科專業，針對“自動控制原理課程設計”中存在的問題，提出了以項目為主線的課程設計模式，將控制系統的分析與綜合融為一體，以期提高學生分析、解決復雜工程問題的能力。課程設計以激光陀螺抖動控制環路為研究對象，進行系統穩定性、時域性能、根軌跡、頻域性能、離散系統、系統校正等內容的分析與設計，構建從控制系統分析到綜合的完整體系，并借助計算機仿真軟件 Matlab 進行輔助設計，使系統滿足性能指標的要求。實踐結果表明，通過課程設計教學改革，可有效提高學生的控制系統工程實踐能力、創新能力，以及團隊協作能力。
關鍵詞：自動控制原理課程設計 控制設計項目 新工科 復雜工程問題
中圖分類號：G642文獻標識碼：A文章編號：???????????
Teaching Reform of "Curriculum Design of Automatic Control Principle" under the Background of New Engineering
SUN Tairen1? ZHANG Jun2
（1. School of Health Science and Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai， 200093 China;
2. School of Electrical and Information Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu Province， 212013 China）
Abstract： According to the concept of cultivating new engineering talents and facing the first-class undergraduate majors， this paper puts forward the project-based curriculum design mode in view of the existing problems in the “Curriculum design of automatic control principle”. The analysis and synthesis of control system are integrated in order to improve students' ability to analyze and solve complex engineering problems. The course design takes the dithering control loop of laser gyro as the research object， analyzes and designs the system stability， time domain performance， root locus， frequency domain performance， discrete system and system correction， constructs a complete system from control system analysis to synthesis， and carries out auxiliary design with the help of computer simulation software Matlab to make the system meet the requirements of performance indicators. The practice results show that the curriculum design teaching reform can effectively improve students' practical ability， innovation ability and teamwork ability of control system engineering.
Key Words： Curriculum design on automatic control principle; Control design project; New engineering; Complex engineering problem
2017年2月，教育部提出“新工科理念”，內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才。作為電子類及相關專業的專業必修課程，“自動控制原理課程設計”對新工科[1-3]下人才的培養起著重要的支撐作用。該課程意在培養學生利用經典控制理論解決實際控制問題的能力，是在經典控制理論學完之后，利用一周左右時間進行的課程設計，要求學生能用時域法、頻域法對實際控制系統進行分析和設計，并借助Matlab 進行輔助設計，滿足系統各個性能指標。
“自動控制原理課程設計”在培養學生應用創新能力和工程實踐能力方面扮演著極為重要的角色[4]。然而，傳統的課程設計大多是單純利用 Matlab對基本控制理論進行驗證，導致學生的知識點支離破碎，對控制系統的分析與設計仍然無從下手，難以提高解決復雜工程問題能力。針對這種情況，對“自動控制原理課程設計”進行教學改革和創新[5-8]尤為必要。本文中，我們秉承“新工科理念”，以激光陀螺抖動控制[9]環路為研究對象，將項目做為主線貫穿在整個課程設計中，進行系統穩定性、時域性能、根軌跡、頻域性能、離散系統、系統校正等內容的分析與設計，并借助計算機仿真軟件 Matlab 進行輔助設計，從而將控制系統分析與綜合設計融為一體，形成控制系統分析和綜合的完整體系，以期提高學生的工程實踐能力和創新能力。
1 “自動控制原理課程設計”設計題目
結合我國載人航天和火星登陸的航天熱點，展開本次課程設計的思政教育，闡述自動控制在國防GNC領域中的重要地位，以及面臨的挑戰，激發學生的學習熱情。設計題目選自于導航領域中的熱點問題——激光去抖系統分析與設計。基于Sagnac效應的激光陀螺具有量測精度高、穩定性好等優點，已廣泛運用于慣導系統，但其內部存在閉鎖效應使其不能敏感于低于閉鎖閾值的轉動角速度的變化。本課程設計目的是設計激光去抖系統消除閉鎖效應。在這方面，目前最廣泛運用模擬正弦驅動激光陀螺，另外施加一個交變的機械抖動，使工作點脫離鎖區，從而減小閉鎖誤差[10]。為了保持交變機械抖動在時間溫度等條件下的穩定，需要實現閉環抖動控制（見圖1）。
抖動控制環路的廣義開環傳遞函數如下：
該模型不是自控原理教材中典型的二階系統，具有一定的廣度，擴大了學生對被控對象的認識。
2 “自動控制原理課程設計”設計流程
課程設計將激光去抖系統做為主線貫穿在整個課程設計中，將文獻[10]系統校正問題進一步深入，進行控制系統穩定性、時域性能、根軌跡、頻域性能、離散系統、系統校正等內容的分析與設計，并借助計算機仿真軟件 Matlab 進行輔助設計，具體流程為：
（1） 系統穩定性分析：當T0=10， 1， 0.1， 0.01不同數值時，分析單位負反饋下的抖動控制環路的穩定性。這部分主要學生思考勞斯判據和求根兩種方法在判斷系統穩定性的異同點，拓展理解 Matlab 輔助設計的必要性，并且從抖動控制電路原理思考為什么需要判斷系統穩定性，如果系統不穩定怎么處理？
（2） 輸出響應：當T0=10， 1， 0.1， 0.01不同數值時，求出閉環系統的沖激響應曲線，階躍響應曲線（單位負反饋），分析T0的大小對輸出性能的影響，用M語言命令函數和Simulink兩種方式完成，這部分主要加強學生理解系統參數對輸出響應的影響。
（3） 時域指標：求出閉環抖動控制環路的時域指標，包括上升時間、超調量、調節時間及穩態誤差等。這部分要求學生從仿真圖直接觀測時域指標，并與理論計算值相比較。
（4） 根軌跡繪制：當T0=[0， +∞]變化時，畫出抖動控制環路的根軌跡圖，求出系統穩定的范圍;
（5） 幅相曲線：畫出T0=10， 1， 0.1， 0.01時的奈氏曲線圖，這部分從頻域角度來分析閉環系統穩定性。
（6） 頻域指標：畫出T0=10， 1， 0.1， 0.01時抖動控制環路的波特圖，求出相應的相較裕度和幅值裕度，截止頻率，思考漸近線方法和MATLAB畫波特圖的差別在哪里;分析頻域指標與時域指標關系;這部分要求學生會從仿真圖中讀出相位和幅值裕度。
（7） 系統校正：當T0=0.017時，設計超前校正網絡使得抖動控制環路截止頻率大于21rad/s，相角裕度大于45度，畫出校正網絡的Bode圖和階躍響應曲線;這部分要求分析抖動控制系統的快速性和穩定性之間關系，寫出設計校正流程，并采用 Matlab 進行輔助設計校驗性能指標。
（8） 離散系統：當采樣周期分別為T=10， 1， 0.1， 0.01，T0=1時，求出抖動控制環路離散化模型，判斷離散系統模型的穩定性，畫出離散沖激響應和階躍響應，并分析周期T對閉環控制系統暫態、穩態性能的影響。根據上述仿真結果，分析采樣周期選取規則。這部分要求學生根據差分方程寫出輸出響應，加深離散系統的工作原理。
（9） PID參數設計：圖1中的抖動結構開環傳遞函數如下：
采用Simulink，根據試湊法設計PID控制器，實現在階躍響應信號跟蹤，分析P、I、D這3個參數的作用，以及調試規則，為后續的過程控制課程做鋪墊。
3? 成績評定方法
成績考核以計算機仿真和設計報告為考核依據。成績等級分為優、良、及格、不及格。百分制評分標準如表 1 所示。
上述自動控制原理課程設計教學改革已在教學中進行試驗。學生高度認可課程設計模式，認為該模式把控制理論、仿真、設計等有機結合起來，加深了自動控制原理頻域和時域、連續和離散、分析與綜合等知識點的聯系與區別，有效提高學生的控制系統工程實踐能力、創新能力，以及團隊協作能力。
4? 結語
基于新工科人才培養目標，本文提出以激光陀螺抖動控制環路為主線的自動控制課程設計模式，進行系統穩定性、時域性能、根軌跡、頻域性能、離散系統、系統校正等內容的分析與設計，將控制系統的分析與綜合融為一體，有效提高學生的控制系統工程實踐能力、創新能力，以及團隊協作能力。
參考文獻
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