自動控制原理課程中超前校正案例教學方法研究

王小增，楊久紅

（嘉應(yīng)學院　電子信息工程學院，廣東　梅州　514015）

自動控制原理課程中超前校正案例教學方法研究

王小增，楊久紅

（嘉應(yīng)學院電子信息工程學院，廣東梅州514015）

如何將自動控制理論應(yīng)用到實際的控制系統(tǒng)當中，加深學生對理論知識的理解和運用是每個理論課教師應(yīng)該仔細考慮的問題.本文以自動控制原理課程中的超前校正為例，將案例教學法引入到課堂教學過程中.按照提出問題、分析問題和解決問題的思路，給出了直流電機調(diào)速系統(tǒng)超前校正案例教學法的具體實施過程.分析了直流電機調(diào)速系統(tǒng)超前校正前后的性能指標，并給出了模擬電路實驗原理圖.

案例教學；超前校正；自動控制原理；直流電機調(diào)速

1　引言

自動控制原理課程是自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，銜接了高等數(shù)學、電路分析基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)等課程，為后續(xù)計算機控制、運動控制、電機拖動等專業(yè)課程學習的基礎(chǔ).該課程不僅理論綜合性強，概念抽象，數(shù)學計算復雜，而且和工程實踐關(guān)系密切，是難教、難學的一門課程［1］.隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)進程的全面推進，各專業(yè)應(yīng)用型人才的需求已迫在眉睫.應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標要求學生既要掌握扎實的基本理論，又要練就較強的實際動手能力，將理論知識應(yīng)用于工程實踐［2］.目前教師通常采用的填鴨式和滿堂灌的教學方法，將課本上的基本概念、基本理論和方法傳授給學生，學生學習興趣不足，教學效果不佳［3］.如何將生澀的自動控制理論植入到實際的控制系統(tǒng)當中，加深學生對理論知識的理解和運用是每個理論課教師應(yīng)該仔細考慮的問題［4］-［5］.為此，本文從直流電機速度控制這一實際問題入手，以自動控制原理課程中的超前校正為例，提出了一種案例式的教學方法.

2　校正前系統(tǒng)性能分析

案例式的教學方法沒有直接講解超前校正理論，而是首先提出直流電機調(diào)速性能指標改善問題.為方便課堂教學，教學過程中首先建立了一種模擬直流電機調(diào)速的電路原理圖，如圖1所示.原理圖中包括電阻、電容和運算放大器，便于采用Proteus等軟件進行系統(tǒng)仿真分析.直流電機采用一個積分環(huán)節(jié)和一個時間常數(shù)為0.5s的慣性環(huán)節(jié)模擬.校正前直流電機系統(tǒng)只是采用比例控制，其中比例系數(shù)為20.由原理圖可得直流電機調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖2所示.校正前直流電機調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

校正前直流電機調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

通過和二階系統(tǒng)標準傳遞函數(shù)對比可得系統(tǒng)的無阻尼自然振蕩頻率ωn=6.32rad/s，阻尼比ξ=0.16.系統(tǒng)靜態(tài)誤差系數(shù)為20，超調(diào)量為60%，調(diào)整時間為4s.直流電機調(diào)速系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)如圖3所示.

圖1　模擬直流電機調(diào)速電路原理圖

圖2　直流電機調(diào)速系統(tǒng)框圖

圖3　直流電機調(diào)速系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)

3　超前校正環(huán)節(jié)設(shè)計

課堂教學過程中，根據(jù)提出的問題確定解決問題的方法.系統(tǒng)超調(diào)量和調(diào)整時間比較大，為改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能，確定超調(diào)量小于25%，調(diào)整時間小于1s，靜態(tài)位置誤差系數(shù)小于20.一般情況下，保證穩(wěn)態(tài)性能的前提下，超前校正環(huán)節(jié)可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能.由系統(tǒng)超調(diào)量

可得系統(tǒng)的阻尼比ξ≥0.4.由系統(tǒng)的調(diào)整時間

可得系統(tǒng)的無阻尼自然振蕩頻率ωn≥10rad/s.由校正后系統(tǒng)靜態(tài)誤差系數(shù)為20，可得K=20.則校正后系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

根據(jù)方程（1）和（5）可得校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為：

4　校正后系統(tǒng)分析

根據(jù)確定的直流電機調(diào)速超前校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，建立系統(tǒng)框圖如圖4所示.超前校正后直流電機調(diào)速系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)如圖5所示.校正后直流電機調(diào)速系統(tǒng)超調(diào)量小于25%，調(diào)整時間小于1s，靜態(tài)位置誤差系數(shù)小于20，符合設(shè)計要求.根據(jù)超前校正環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，選擇模擬電路中電阻和電容的數(shù)值，確定的模擬直流電機調(diào)速超前校正電路原理圖如圖6所示.

圖4　直流電機調(diào)速超前校正系統(tǒng)框圖

圖5　超前校正后直流電機調(diào)速系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)

圖6　模擬直流電機調(diào)速超前校正電路原理圖

5　結(jié)束語

本文以自動控制原理課程中的超前校正教學為例，將案例教學法引入的課堂教學過程中.按照提出問題、分析問題和解決問題的思路，給出了直流電機調(diào)速系統(tǒng)超前校正案例教學法的具體實施過程.分析了直流電機調(diào)速系統(tǒng)超前校正前后的性能指標，并給出了模擬電路實驗原理圖.

〔1〕劉琪，張鴻輝.應(yīng)用型本科自動控制原理課程體系改革［J］.中國教育技術(shù)裝備，2009（24）：41-41.

〔2〕劉萍.應(yīng)用型大學自動控制原理課程教學改革［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2014（17）：68-70.

〔3〕宮二玲，孫志強，沈輝.自動控制原理課程中的多元化案例教學［J］.電氣電子教學學報，2015，37（2）：58-60.

〔4〕榮軍，丁躍澆，張敏，等.案例教學法在自動控制原理中的應(yīng)用研究 ［J］.實驗室科學，2011，14（5）：14-16.

〔5〕趙建偉，壓洪，燕兵，等.開閉環(huán)控制教學案例引入自動控制原理的應(yīng)用與實踐［J］.教育教學論壇，2016（11）：141-142.

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1673-260X（2016）10-0210-02

2016-06-13

嘉應(yīng)學院第十三批高等教育教學改革項目