新工科背景下“自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)”教學(xué)改革

孫太任 張軍

摘? 要：本文根據(jù)新工科人才培養(yǎng)理念，面向一流本科專業(yè)，針對(duì)“自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)”中存在的問題，提出了以項(xiàng)目為主線的課程設(shè)計(jì)模式，將控制系統(tǒng)的分析與綜合融為一體，以期提高學(xué)生分析、解決復(fù)雜工程問題的能力。課程設(shè)計(jì)以激光陀螺抖動(dòng)控制環(huán)路為研究對(duì)象，進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性、時(shí)域性能、根軌跡、頻域性能、離散系統(tǒng)、系統(tǒng)校正等內(nèi)容的分析與設(shè)計(jì)，構(gòu)建從控制系統(tǒng)分析到綜合的完整體系，并借助計(jì)算機(jī)仿真軟件 Matlab 進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)滿足性能指標(biāo)的要求。實(shí)踐結(jié)果表明，通過課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革，可有效提高學(xué)生的控制系統(tǒng)工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力，以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì) 控制設(shè)計(jì)項(xiàng)目 新工科 復(fù)雜工程問題

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：???????????

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(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才。作為電子類及相關(guān)專業(yè)的專業(yè)必修課程，“自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)”對(duì)新工科^[1-3]下人才的培養(yǎng)起著重要的支撐作用。該課程意在培養(yǎng)學(xué)生利用經(jīng)典控制理論解決實(shí)際控制問題的能力，是在經(jīng)典控制理論學(xué)完之后，利用一周左右時(shí)間進(jìn)行的課程設(shè)計(jì)，要求學(xué)生能用時(shí)域法、頻域法對(duì)實(shí)際控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，并借助Matlab 進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，滿足系統(tǒng)各個(gè)性能指標(biāo)。

“自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)”在培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力方面扮演著極為重要的角色^[4]。然而，傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)大多是單純利用 Matlab對(duì)基本控制理論進(jìn)行驗(yàn)證，導(dǎo)致學(xué)生的知識(shí)點(diǎn)支離破碎，對(duì)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)仍然無從下手，難以提高解決復(fù)雜工程問題能力。針對(duì)這種情況，對(duì)“自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)”進(jìn)行教學(xué)改革和創(chuàng)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(dòng)控制^[9]環(huán)路為研究對(duì)象，將項(xiàng)目做為主線貫穿在整個(gè)課程設(shè)計(jì)中，進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性、時(shí)域性能、根軌跡、頻域性能、離散系統(tǒng)、系統(tǒng)校正等內(nèi)容的分析與設(shè)計(jì)，并借助計(jì)算機(jī)仿真軟件 Matlab 進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，從而將控制系統(tǒng)分析與綜合設(shè)計(jì)融為一體，形成控制系統(tǒng)分析和綜合的完整體系，以期提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

1 “自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)”設(shè)計(jì)題目

結(jié)合我國載人航天和火星登陸的航天熱點(diǎn)，展開本次課程設(shè)計(jì)的思政教育，闡述自動(dòng)控制在國防GNC領(lǐng)域中的重要地位，以及面臨的挑戰(zhàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。設(shè)計(jì)題目選自于導(dǎo)航領(lǐng)域中的熱點(diǎn)問題——激光去抖系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)?；赟agnac效應(yīng)的激光陀螺具有量測(cè)精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛運(yùn)用于慣導(dǎo)系統(tǒng)，但其內(nèi)部存在閉鎖效應(yīng)使其不能敏感于低于閉鎖閾值的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的變化。本課程設(shè)計(jì)目的是設(shè)計(jì)激光去抖系統(tǒng)消除閉鎖效應(yīng)。在這方面，目前最廣泛運(yùn)用模擬正弦驅(qū)動(dòng)激光陀螺，另外施加一個(gè)交變的機(jī)械抖動(dòng)，使工作點(diǎn)脫離鎖區(qū)，從而減小閉鎖誤差^[10]。為了保持交變機(jī)械抖動(dòng)在時(shí)間溫度等條件下的穩(wěn)定，需要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)抖動(dòng)控制（見圖1）。

抖動(dòng)控制環(huán)路的廣義開環(huán)傳遞函數(shù)如下：

該模型不是自控原理教材中典型的二階系統(tǒng)，具有一定的廣度，擴(kuò)大了學(xué)生對(duì)被控對(duì)象的認(rèn)識(shí)。

2 “自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)”設(shè)計(jì)流程

課程設(shè)計(jì)將激光去抖系統(tǒng)做為主線貫穿在整個(gè)課程設(shè)計(jì)中，將文獻(xiàn)[10]系統(tǒng)校正問題進(jìn)一步深入，進(jìn)行控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、時(shí)域性能、根軌跡、頻域性能、離散系統(tǒng)、系統(tǒng)校正等內(nèi)容的分析與設(shè)計(jì)，并借助計(jì)算機(jī)仿真軟件 Matlab 進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，具體流程為：

（1） 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析：當(dāng)T₀=10， 1， 0.1， 0.01不同數(shù)值時(shí)，分析單位負(fù)反饋下的抖動(dòng)控制環(huán)路的穩(wěn)定性。這部分主要學(xué)生思考勞斯判據(jù)和求根兩種方法在判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的異同點(diǎn)，拓展理解 Matlab 輔助設(shè)計(jì)的必要性，并且從抖動(dòng)控制電路原理思考為什么需要判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性，如果系統(tǒng)不穩(wěn)定怎么處理？

（2） 輸出響應(yīng)：當(dāng)T₀=10， 1， 0.1， 0.01不同數(shù)值時(shí)，求出閉環(huán)系統(tǒng)的沖激響應(yīng)曲線，階躍響應(yīng)曲線（單位負(fù)反饋），分析T₀的大小對(duì)輸出性能的影響，用M語言命令函數(shù)和Simulink兩種方式完成，這部分主要加強(qiáng)學(xué)生理解系統(tǒng)參數(shù)對(duì)輸出響應(yīng)的影響。

（3） 時(shí)域指標(biāo)：求出閉環(huán)抖動(dòng)控制環(huán)路的時(shí)域指標(biāo)，包括上升時(shí)間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間及穩(wěn)態(tài)誤差等。這部分要求學(xué)生從仿真圖直接觀測(cè)時(shí)域指標(biāo)，并與理論計(jì)算值相比較。

（4） 根軌跡繪制：當(dāng)T₀=[0， +∞]變化時(shí)，畫出抖動(dòng)控制環(huán)路的根軌跡圖，求出系統(tǒng)穩(wěn)定的范圍;

（5） 幅相曲線：畫出T₀=10， 1， 0.1， 0.01時(shí)的奈氏曲線圖，這部分從頻域角度來分析閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（6） 頻域指標(biāo)：畫出T₀=10， 1， 0.1， 0.01時(shí)抖動(dòng)控制環(huán)路的波特圖，求出相應(yīng)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(biāo)與時(shí)域指標(biāo)關(guān)系;這部分要求學(xué)生會(huì)從仿真圖中讀出相位和幅值裕度。

（7） 系統(tǒng)校正：當(dāng)T₀=0.017時(shí)，設(shè)計(jì)超前校正網(wǎng)絡(luò)使得抖動(dòng)控制環(huán)路截止頻率大于21rad/s，相角裕度大于45度，畫出校正網(wǎng)絡(luò)的Bode圖和階躍響應(yīng)曲線;這部分要求分析抖動(dòng)控制系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性之間關(guān)系，寫出設(shè)計(jì)校正流程，并采用 Matlab 進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)校驗(yàn)性能指標(biāo)。

（8） 離散系統(tǒng)：當(dāng)采樣周期分別為T=10， 1， 0.1， 0.01，T₀=1時(shí)，求出抖動(dòng)控制環(huán)路離散化模型，判斷離散系統(tǒng)模型的穩(wěn)定性，畫出離散沖激響應(yīng)和階躍響應(yīng)，并分析周期T對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能的影響。根據(jù)上述仿真結(jié)果，分析采樣周期選取規(guī)則。這部分要求學(xué)生根據(jù)差分方程寫出輸出響應(yīng)，加深離散系統(tǒng)的工作原理。

（9） PID參數(shù)設(shè)計(jì)：圖1中的抖動(dòng)結(jié)構(gòu)開環(huán)傳遞函數(shù)如下：

采用Simulink，根據(jù)試湊法設(shè)計(jì)PID控制器，實(shí)現(xiàn)在階躍響應(yīng)信號(hào)跟蹤，分析P、I、D這3個(gè)參數(shù)的作用，以及調(diào)試規(guī)則，為后續(xù)的過程控制課程做鋪墊。

3? 成績(jī)?cè)u(píng)定方法

成績(jī)考核以計(jì)算機(jī)仿真和設(shè)計(jì)報(bào)告為考核依據(jù)。成績(jī)等級(jí)分為優(yōu)、良、及格、不及格。百分制評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表 1 所示。

上述自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革已在教學(xué)中進(jìn)行試驗(yàn)。學(xué)生高度認(rèn)可課程設(shè)計(jì)模式，認(rèn)為該模式把控制理論、仿真、設(shè)計(jì)等有機(jī)結(jié)合起來，加深了自動(dòng)控制原理頻域和時(shí)域、連續(xù)和離散、分析與綜合等知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系與區(qū)別，有效提高學(xué)生的控制系統(tǒng)工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力，以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

4? 結(jié)語

基于新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)，本文提出以激光陀螺抖動(dòng)控制環(huán)路為主線的自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)模式，進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性、時(shí)域性能、根軌跡、頻域性能、離散系統(tǒng)、系統(tǒng)校正等內(nèi)容的分析與設(shè)計(jì)，將控制系統(tǒng)的分析與綜合融為一體，有效提高學(xué)生的控制系統(tǒng)工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力，以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

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