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自动控制课程实验设计研究

摘要:根据中国工程教育认证标准的要求,文章结合“自动控制原理”课程的特点,通过引用实用型、设计型实验,实现“理论—实验”一体化教学的目的。同时以“二阶系统的瞬态响应与稳定性”为案例,阐述了实验的设计目标和设计思路。教学实践表明,通过自动控制实验教学,不仅充分发挥学生的创造能力,而且进一步加深对自动控制原理课程基本理论与基本概念的理解,取得良好的教学效果。

关键词:自动控制原理;Labact实验箱;实验教学

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。掌握必要的工程基础知识以及本专业的基本理论、基本知识;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,具有创新意识和对新产品、新工艺、新技术和新设备进行研究、开发和设计的初步能力[1]。在大学本科教学过程中,实验教学是非常重要的一个环节,是理论教学的有益补充,可以培养学生的创新精神和创新能力,训练学生基本技能。

1理论教学过程中存在的问题

“自动控制原理”是东北电力大学电气工程及其自动化专业的一门专业基础课程,知识覆盖面广、内容多、理论性强[2]。老师在本科教学的过程中,通常采用理论教学,复杂的理论和公式推导过程枯燥无味,学生们学习的积极性不高,老师无法通过课堂教学把知识点传授给学生。

2实验教学的主要目标

通过实验教学可以解决课程理论教学中存在的问题。“自动控制原理”实验教学的主要目标包括以下几点。(1)培养学生分析问题的能力。根据中国工程教育认证标准的要求,通过引用实用型、设计型实验,让同学们去验证课堂上学习到的知识,分析实验结果。(2)培养学生的创新能力。依据课堂所学,设计新的实验,鼓励学生完成,充分调动学生的学习热情,加强老师与学生的交流,提高学生的创新能力。(3)培养学生的动手能力。结合“自动控制原理”课程的教学大纲,在实验过程中,使学生充分掌握实验所用仪器、仪表的使用方法,为将来的工作打下基础。(4)提高学生的综合素质。学生通过实用型、设计型实验能够综合运用所学的专业知识,全面提高学生的综合素质。

3课程实验设计

3.1设计案例。“自动控制原理”的教学中,控制系统的时域分析是一个教学难点。根据“自动控制原理”课程的教学大纲,学生应掌握二阶系统对阶跃输入信号的响应。由于二阶系统的阶跃响应存在欠阻尼、临界阻尼和过阻尼三种情况,在本科教学过程中,若只采用理论教学方法,学生将会缺少形象认识,接受效果不是十分理想[3]。考虑到二阶系统的阻尼比、极点位置和阶跃响应曲线形状间存在一一对应的关系,在理论教学之后,应用Labact实验箱,搭建一个典型的I型二阶系统,注入单位阶跃信号,让学生观察和分析系统在欠阻尼,临界阻尼,过阻尼的瞬态响应曲线,并测量动态性能指标Mp和tp值。3.2原理分析。设计搭建的I型二阶单位反馈闭环系统模拟电路如图1所示。主要由积分环节(A2单元)和惯性环节(A3单元)的构成。模拟电路的闭环传递函数为:可推导得到阻尼比ξ和开环增益K满足以下关系。(1)临界阻尼响应:ξ=1,可推得K=2.5,选取R=40kΩ。(2)欠阻尼响应:0<ξ<1,选取R=4kΩ,K=25,ξ=0.316。(3)过阻尼响应:ξ>1,选取R=70kΩ,K=1.43,ξ=1.32>1。3.3结果考察。学生结合“自动控制原理”课程所学的知识,计算该系统在阶跃信号输入时的动态性能指标Mp和tp,填入实验表格如表1所示。学生应用Labact实验箱,搭建I型二阶闭环系统模拟电路,改变惯性环节中的输入电阻R(A11)来改变系统的开环增益K,进而改变系统的结构参数[4]。观察和分析I型二阶闭环系统在欠阻尼,临界阻尼,过阻尼的瞬态响应曲线,如图2所示。测量动态性能指标Mp和tp值,填入实验表格。

4结语

“自动控制原理”课程知识覆盖面广、内容理论性强。基于理论联系实际的思想,引用实用型、设计型实验,使学生加深对自动控制原理课程基本理论与基本概念的理解,培养了学生的思维能力和创新能力,教学效果显著。

[参考文献]

[1]刘惠敏.基于MATLAB的自动控制原理虚拟实验教学平台设计[J].实验室科学,2016(3):48-52.

[2]强盛,史小平,何朕.基于项目的“自动控制原理课程设计”改革探索[J].实验室研究与探索,2013(11):416-418.

[3]顾九春,王品,宋进桂,等.《自动控制原理》课程虚拟实验平台的设计[J].高校实验室工作研究,2008(1):50-53.

[4]王建辉,徐林,顾树生.自动控制原理实验教学的改革[J].实验室研究与探索,2005(s1):192-195.

作者:王玉鹏 单位:东北电力大学

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