電氣自動化專業(yè)自動控制原理實驗教學(xué)模式探討

摘要：針對自動控制原理理論內(nèi)容抽象、學(xué)生缺乏主動探索精神，實踐教學(xué)中構(gòu)建了立體式教學(xué)模式。該模式將理論驗證、項目型綜合設(shè)計、專業(yè)拓展科研訓(xùn)練融為一體，期望提供給學(xué)生大的專業(yè)視野，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和獨(dú)立解決問題的能力。

關(guān)鍵詞：自動控制原理；實踐教學(xué)；主動探索；立體式教學(xué)模式

中圖分類號：G642.423#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號：1007-0079（2014）17-0098-02

自動控制原理是以控制論為理論基礎(chǔ)，并與系統(tǒng)論、信息論密切相關(guān)的一門理論基礎(chǔ)科學(xué)，是自動化專業(yè)及其他相關(guān)工程類專業(yè)的支撐課程，是傳授自動控制及系統(tǒng)基本思想、基本設(shè)計方法、基本控制工程理念、培養(yǎng)學(xué)生理論素養(yǎng)和解決實際工程問題能力的基礎(chǔ)課程。自控原理實驗具有嚴(yán)密的理論基礎(chǔ)、廣泛的應(yīng)用對象、可行的實踐方法等特點。[1，2]目前由于理論課時壓縮、抽象內(nèi)容學(xué)生理解困難，實驗平臺通常通過運(yùn)放結(jié)合阻容器件及其他電路單元模擬控制工程中的各種典型環(huán)節(jié)和控制系統(tǒng)，但這樣無法滿足不同工程專業(yè)背景的需求，實驗內(nèi)容通常只是對理論的驗證和復(fù)現(xiàn)，學(xué)生缺乏興趣，對專業(yè)應(yīng)用背景不清楚，導(dǎo)致被動學(xué)習(xí)，缺乏主動探索。因此需要對現(xiàn)有實驗教學(xué)體系進(jìn)行內(nèi)容補(bǔ)充和更新完善，建立立體式教學(xué)模式。該模式將理論驗證、項目型綜合設(shè)計、專業(yè)拓展科研訓(xùn)練融為一體，開闊了學(xué)生的專業(yè)視野，激發(fā)了學(xué)生對專業(yè)知識的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生主動探索問題的能力。

一、實踐教學(xué)改革措施

1.基礎(chǔ)理論實驗加強(qiáng)前后知識點銜接

組建實驗管理系統(tǒng)，系統(tǒng)可運(yùn)行于實驗中心的局域網(wǎng)上，實驗室面向?qū)W生開放，學(xué)生可根據(jù)課時進(jìn)度、掌握知識的困難程度選擇具體實驗內(nèi)容和完成時間。設(shè)置的實驗內(nèi)容應(yīng)前后銜接。舉例：系統(tǒng)的誤差E（S）不僅與其結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，而且也與輸入信號R（S）的形式和大小有關(guān)。本實驗就是研究系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與上述因素間的關(guān)系。通過0型、I型、II型系統(tǒng)對三種不同輸入信號所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差ess進(jìn)行說明。其中某一0型系統(tǒng)傳函和模擬電路如圖1所示。

單位階躍輸入（），單位斜坡輸入（）的響應(yīng)曲線如圖2所示。

表明0型系統(tǒng)只能跟蹤階躍輸入，但有穩(wěn)態(tài)誤差存在。針對穩(wěn)態(tài)誤差內(nèi)容，提出問題：系統(tǒng)中設(shè)計合適的控制器，已有系統(tǒng)誤差能否消除？如何消除？知識點遷移到在工程界常用的PID控制器中，引入積分的目的是為了消除靜差，提高控制精度，但系統(tǒng)中引入了積分，往往使之產(chǎn)生過大的超調(diào)量，這對某些生產(chǎn)過程是不允許的。因此在工業(yè)生產(chǎn)中常用改進(jìn)的PID算法——積分分離PID算法，其思想是：當(dāng)│e（kT）│≤│E0│時，采用PID控制，以保持系統(tǒng)的控制精度。當(dāng)│e（kT）│>│E0│時，采用PD控制，可使δp減小。以上內(nèi)容整合完成一個綜合穩(wěn)態(tài)誤差分析及消除靜差，提高控制精度實驗。

2.實驗之前理論仿真

進(jìn)入實驗室搭建物理模型驗證和設(shè)計理論之前應(yīng)該進(jìn)行系統(tǒng)仿真，促進(jìn)學(xué)生掌握熟悉控制理論研究中主流仿真軟件MATLAB，提高學(xué)生探索知識的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)。倒立擺系統(tǒng)是一個典型的被控對象，它是一個高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，可以運(yùn)用控制理論設(shè)計控制器使其保持穩(wěn)定。本文應(yīng)用MATLAB對直線一級倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行了定性分析，研究了它的脈沖響應(yīng)和可控性。忽略空氣阻力和各種摩擦力，將直線一級倒立擺系統(tǒng)抽象成小車和勻質(zhì)桿構(gòu)成的系統(tǒng)，系統(tǒng)有兩個平衡狀態(tài)，垂直向上狀態(tài)是絕對的不穩(wěn)定平衡點，垂直向下狀態(tài)是穩(wěn)定的平衡點。研究倒立擺處于垂直向上狀態(tài)這一開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng)，狀態(tài)量選擇x：小車位移；φ：擺桿與垂直向上方向的夾角。實際系統(tǒng)的模型參數(shù)如下：M為小車質(zhì)量，1.096kg；m為擺桿質(zhì)量，0.109kg；b為小車摩擦系數(shù)，0.1N/m/sec；l為擺桿轉(zhuǎn)動軸心到桿距離，0.25m；I為擺桿的慣量，0.0034kg*m2。系統(tǒng)在垂直向上狀態(tài)這一絕對不穩(wěn)定的平衡點附近線性化后建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（以外界作用力作為系統(tǒng)輸入）如下：

系統(tǒng)脈沖響應(yīng)：

A=[0 1 0 0;0 -0.022923 1.77561 0;0 0 0 1;0 -0.66491 66.7889 0]

B=[0;0.0659;0;0.02725];C=[1 0 0 0;0 0 1 0];D=[0;0];

>> sys=ss（A，B，C，D）;

>> t=[0：3：200]';

>> impulse（sys，t）;grid;

系統(tǒng)開環(huán)脈沖響應(yīng)曲線如圖3所示，系統(tǒng)不穩(wěn)定，擺桿處于垂直向上狀態(tài)時要處于動態(tài)平衡，需要設(shè)置控制器。

系統(tǒng)的可控性判斷：

A=[0 1 0 0;0 -0.022923 1.77561 0;0 0 0 1;0 -0.66491 66.7889 0];

B=[0;0.0659;0;0.02725];C=[1 0 0 0;0 0 1 0];D=[0;0];

sys=ss（A，B，C，D）;

Q=[B A*B A^2*B A^3*B];

m=rank（Q）

m = 4

可控矩陣滿秩，所以系統(tǒng)在平衡點是可控的，可進(jìn)行極點配置。通過MATLAB軟件仿真研究的易于介入特點，提高學(xué)生主動探索復(fù)雜問題的積極性。

3.工程綜合設(shè)計實驗

增加針對常用的被控對象實現(xiàn)綜合項目設(shè)計實驗。如直流調(diào)速系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、液位定值控制系統(tǒng)使學(xué)生深刻體會到控制理論在實際系統(tǒng)中發(fā)揮的作用。本文設(shè)計了三個本質(zhì)上具有相同的工作原理、共同結(jié)構(gòu)及特點的控制系統(tǒng)。

單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)由PID控制器（上位機(jī)軟件編程實現(xiàn)）、數(shù)據(jù)采集卡（DA、AD、零階保持器、單片機(jī)）、SG3525專用PWM集成電路、功率放大、直流電機(jī)、霍爾元件構(gòu)成。PID控制器輸出改變SG3525的輸入信號Ur，SG3525專用PWM模塊輸出占空比可調(diào)脈沖，經(jīng)過功率放大，直流15V經(jīng)過PWM調(diào)制后加到直流電機(jī)電樞兩端，從而改變轉(zhuǎn)速，反饋通道采用霍爾元件測速。

單閉環(huán)溫度恒值系統(tǒng)由PID控制器、數(shù)據(jù)采集卡、PT100溫度傳感器、直流電橋溫度測量電路、SG3525專用PWM集成電路、功率放大構(gòu)成。直流15V經(jīng)過PWM調(diào)制后加到加熱器的兩端，從而控制溫度。

單容水箱液位定值控制系統(tǒng)由PID控制器、數(shù)據(jù)采集卡、SG3525專用PWM集成電路、功率放大、水泵、壓力變送器構(gòu)成。反饋通道采用壓力變送器，其輸出電壓V反饋=f（h液位）。通過控制水泵轉(zhuǎn)速實現(xiàn)液位定值控制。

雖然上述三個系統(tǒng)控制對象不同，被控參數(shù)有差別，但是閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)卻大同小異，都有相同的工作原理，共同的結(jié)構(gòu)及特點。在該平臺上學(xué)生能深刻理解系統(tǒng)控制過程中一些指標(biāo)的提出和實現(xiàn)及控制器設(shè)計過程，使控制理論不再抽象難懂，培養(yǎng)了學(xué)生主動探索的興趣。

4.專業(yè)拓展科研訓(xùn)練

目前高等教育由于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的滲入，學(xué)生的求知方法寬口徑，資料查閱、快速學(xué)習(xí)的能力提升。專業(yè)拓展科研訓(xùn)練方面可以讓學(xué)生完成為期三周的項目設(shè)計，實現(xiàn)倒立擺、磁懸浮球等經(jīng)典被控對象的控制與設(shè)計。倒立擺、磁懸浮球系統(tǒng)是控制理論界經(jīng)典的被控對象，它們是一個高階次、不穩(wěn)定、多變量、非線性、強(qiáng)耦合的快速系統(tǒng)。就其穩(wěn)定性方面而言，采用行之有效的控制策略才能使其穩(wěn)定，如PID、自適應(yīng)、狀態(tài)反饋、模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種理論和方法。學(xué)生可以在這三周時間內(nèi)查閱資料，在教師的指導(dǎo)下自學(xué)相關(guān)內(nèi)容，進(jìn)行MATLAB仿真，在實驗室搭建實物實現(xiàn)被控對象的控制要求。經(jīng)過這一環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，擴(kuò)大了學(xué)生的專業(yè)視野，提高了學(xué)生主動探索專業(yè)知識的能力和科研素養(yǎng)。

5.考核方式

實踐教學(xué)環(huán)節(jié)實行彈性學(xué)分制，要求必須完成最基本要求的實驗學(xué)分，學(xué)有余力的學(xué)生完成該課程所有實驗可以多拿學(xué)分。考核方式上采用必修實驗內(nèi)容+選修實驗內(nèi)容+項目綜合設(shè)計+專業(yè)拓展科研訓(xùn)練立體式內(nèi)容考核，全面提升學(xué)生的專業(yè)綜合素養(yǎng)。

二、實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計（見表1）

表1#8194;實驗內(nèi)容安排

理論驗證性實驗古典控制內(nèi)容二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)、高階系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、線性定常系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差、系統(tǒng)頻率特性測量、線性定常系統(tǒng)的串聯(lián)校正、典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性、非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)法和相平面分析法

現(xiàn)代控制理論內(nèi)容系統(tǒng)能控性與能觀性分析、控制系統(tǒng)極點的任意配置、具有內(nèi)部模型的狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)、狀態(tài)觀測器及其應(yīng)用

綜合項目設(shè)計實驗單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、單閉環(huán)溫度恒值控制系統(tǒng)、單容水箱液位定值控制系統(tǒng)等系統(tǒng)控制內(nèi)容

專業(yè)拓展科研訓(xùn)練倒立擺系統(tǒng)直線一級倒立擺超前校正控制實驗、PID實時控制實驗、極點配置實時控制實驗

磁懸浮球系統(tǒng)磁懸浮球系統(tǒng)H∞魯棒模糊控制器實現(xiàn)鋼球的穩(wěn)定懸浮控制

三、結(jié)論

通過為學(xué)生提供集理論驗證、項目型綜合設(shè)計、專業(yè)拓展科研訓(xùn)練為一體的立體式實驗教學(xué)平臺，能極大地提高學(xué)生主動探索專業(yè)知識的積極性，擴(kuò)大專業(yè)視野，提高科研素養(yǎng)。

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（責(zé)任編輯：孫晴）