自動(dòng)控制理論課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析

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摘要：基于自動(dòng)控制理論的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，探討改變?cè)械膶?shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。在課堂中學(xué)習(xí)的知識(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合運(yùn)用，使學(xué)生加深對(duì)課堂理論知識(shí)的理解，提高對(duì)理論課程的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制理論，ACES-Ⅱ，實(shí)驗(yàn)教學(xué)

引言

高等教育的主旨是培養(yǎng)富有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的人才，方法的創(chuàng)新才能夠激發(fā)出學(xué)生的創(chuàng)新精神和能力。實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解科學(xué)概念、觀察科學(xué)規(guī)律、掌握和運(yùn)用科學(xué)方法等方面起著舉足輕重的地位；也是一種重要的教學(xué)方法?！蹲詣?dòng)控制理論》課程是能源工程學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化、新能源科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程[1-10]，在教學(xué)中占有重要的地位。課程內(nèi)容涵蓋的知識(shí)面廣，理論性強(qiáng)，數(shù)學(xué)推導(dǎo)多，學(xué)生往往只是掌握了數(shù)學(xué)的計(jì)算和一些概念，沒(méi)有對(duì)控制系統(tǒng)的概念理解透，會(huì)覺(jué)得這門(mén)課程難以理解，幾次課聽(tīng)不懂就會(huì)對(duì)這門(mén)課失去興趣。因此，《自動(dòng)控制理論》課程實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生理解課堂中講授的基本概念、原理以及知識(shí)的綜合運(yùn)用，尤其是加深對(duì)課程的理解，提高學(xué)習(xí)興趣方面顯得尤為重要。

1課程試驗(yàn)

以我院電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)為例，《自動(dòng)控制理論》課程共安排理論課（48學(xué)時(shí)）+實(shí)驗(yàn)課（8學(xué)時(shí)），共安排四個(gè)實(shí)驗(yàn)如表1所示。實(shí)驗(yàn)使用西北工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)的ACES-Ⅱ自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)和ACES軟件兩部分組成。實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用開(kāi)放式和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，注重安全、可靠和易操作，功能模塊豐富，電路搭接方便，易于擴(kuò)展；接口合理，線路安全，具有保護(hù)措施。ACES軟件系統(tǒng)資源豐富、結(jié)構(gòu)清晰、簡(jiǎn)單易學(xué)，具有虛擬示波器、控制對(duì)象接口、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目仿真等特色功能，使用方便靈活。通過(guò)實(shí)驗(yàn)初步掌握分析調(diào)試、設(shè)計(jì)系統(tǒng)技能，學(xué)會(huì)運(yùn)用MATLAB進(jìn)行控制系統(tǒng)輔助分析設(shè)計(jì)的方法，為專(zhuān)業(yè)課的學(xué)習(xí)和進(jìn)一步深造打下必要的理論基礎(chǔ)，掌握必要的基本技能。

2設(shè)計(jì)案例

實(shí)驗(yàn)三中典型系統(tǒng)的模擬研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解掌握典型二階系統(tǒng)的過(guò)阻尼、臨界阻尼、欠阻尼狀態(tài)；研究系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建典型二階系統(tǒng)，觀測(cè)各個(gè)參數(shù)下的階躍響應(yīng)曲線，并記錄階躍響應(yīng)曲線的超調(diào)量σ%、峰值時(shí)間tp以及調(diào)節(jié)時(shí)間ts，研究其參數(shù)變化對(duì)典型二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法是老師講授實(shí)驗(yàn)原理，學(xué)生按步驟接線驗(yàn)證結(jié)果。這樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)達(dá)不到預(yù)期的效果，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)讓學(xué)生首先自己分析典型二階環(huán)節(jié)的模擬電路，了解典型二階環(huán)節(jié)的三種狀態(tài)，通過(guò)分析改變系統(tǒng)參數(shù)得到以上三種狀態(tài)的單位階躍響應(yīng)曲線，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1原理分析

實(shí)驗(yàn)中所用到的功能區(qū)域：階躍信號(hào)、虛擬示波器、實(shí)驗(yàn)電路A1、實(shí)驗(yàn)電路A2、實(shí)驗(yàn)電路A3。典型二階系統(tǒng)模擬電路如圖1所示2.2結(jié)果考察通過(guò)ACES-Ⅱ自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，搭建典型二階系統(tǒng)，得到各個(gè)參數(shù)下的階躍響應(yīng)曲線。如圖2、圖3、圖4所示。結(jié)合《自動(dòng)控制理論》第三章所學(xué)知識(shí)，通過(guò)曲線計(jì)算系統(tǒng)的超調(diào)量σ%、峰值時(shí)間tp以及調(diào)節(jié)時(shí)間ts，填寫(xiě)表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3結(jié)語(yǔ)

《自動(dòng)控制理論》實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究針對(duì)當(dāng)代的大學(xué)生，緊扣學(xué)生的整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程，改變?cè)械膶?shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，在原有基礎(chǔ)上加入自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)元素，充分發(fā)揮學(xué)生的積極性、主動(dòng)性，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問(wèn)題的能力，有效提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

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作者：蘭鴿 任甜甜 朱婷婷 單位：新疆工程學(xué)院