自動控制理論課程實驗設計分析

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摘要：基于自動控制理論的實驗教學過程，探討改變原有的實驗模式。在課堂中學習的知識，通過實驗進行綜合運用，使學生加深對課堂理論知識的理解，提高對理論課程的學習興趣。

關(guān)鍵詞：自動控制理論，ACES-Ⅱ，實驗教學

引言

高等教育的主旨是培養(yǎng)富有創(chuàng)新精神和實踐能力的人才，方法的創(chuàng)新才能夠激發(fā)出學生的創(chuàng)新精神和能力。實驗幫助學生理解科學概念、觀察科學規(guī)律、掌握和運用科學方法等方面起著舉足輕重的地位；也是一種重要的教學方法?！蹲詣涌刂评碚摗氛n程是能源工程學院電氣工程及其自動化、新能源科學與工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課程[1-10]，在教學中占有重要的地位。課程內(nèi)容涵蓋的知識面廣，理論性強，數(shù)學推導多，學生往往只是掌握了數(shù)學的計算和一些概念，沒有對控制系統(tǒng)的概念理解透，會覺得這門課程難以理解，幾次課聽不懂就會對這門課失去興趣。因此，《自動控制理論》課程實驗對學生理解課堂中講授的基本概念、原理以及知識的綜合運用，尤其是加深對課程的理解，提高學習興趣方面顯得尤為重要。

1課程試驗

以我院電氣工程及其自動化專業(yè)為例，《自動控制理論》課程共安排理論課（48學時）+實驗課（8學時），共安排四個實驗如表1所示。實驗使用西北工業(yè)大學生產(chǎn)的ACES-Ⅱ自動控制綜合實驗系統(tǒng)完成，實驗系統(tǒng)主要由自動控制實驗臺和ACES軟件兩部分組成。實驗臺采用開放式和模塊化結(jié)構(gòu)設計，注重安全、可靠和易操作，功能模塊豐富，電路搭接方便，易于擴展；接口合理，線路安全，具有保護措施。ACES軟件系統(tǒng)資源豐富、結(jié)構(gòu)清晰、簡單易學，具有虛擬示波器、控制對象接口、實驗數(shù)據(jù)分析、實驗項目仿真等特色功能，使用方便靈活。通過實驗初步掌握分析調(diào)試、設計系統(tǒng)技能，學會運用MATLAB進行控制系統(tǒng)輔助分析設計的方法，為專業(yè)課的學習和進一步深造打下必要的理論基礎，掌握必要的基本技能。

2設計案例

實驗三中典型系統(tǒng)的模擬研究，通過實驗了解掌握典型二階系統(tǒng)的過阻尼、臨界阻尼、欠阻尼狀態(tài)；研究系統(tǒng)參數(shù)變化對系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。通過在實驗臺搭建典型二階系統(tǒng)，觀測各個參數(shù)下的階躍響應曲線，并記錄階躍響應曲線的超調(diào)量σ%、峰值時間tp以及調(diào)節(jié)時間ts，研究其參數(shù)變化對典型二階系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。傳統(tǒng)的實驗教學方法是老師講授實驗原理，學生按步驟接線驗證結(jié)果。這樣進行實驗達不到預期的效果，進行實驗設計讓學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)的單位階躍響應曲線，然后對數(shù)據(jù)進行分析。

2.1原理分析

實驗中所用到的功能區(qū)域：階躍信號、虛擬示波器、實驗電路A1、實驗電路A2、實驗電路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ACES-Ⅱ自動控制綜合實驗系統(tǒng)，搭建典型二階系統(tǒng)，得到各個參數(shù)下的階躍響應曲線。如圖2、圖3、圖4所示。結(jié)合《自動控制理論》第三章所學知識，通過曲線計算系統(tǒng)的超調(diào)量σ%、峰值時間tp以及調(diào)節(jié)時間ts，填寫表2中的實驗數(shù)據(jù)。

3結(jié)語

《自動控制理論》實驗教學研究針對當代的大學生，緊扣學生的整個學習過程，改變原有的實驗模式，在原有基礎上加入自主設計實驗元素，充分發(fā)揮學生的積極性、主動性，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和團隊協(xié)作精神，提高學生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力，有效提高教學質(zhì)量和教學效果。

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作者：蘭鴿 任甜甜 朱婷婷 單位：新疆工程學院