盛守照, 葉馮超, 孫臣武

(南京航空航天大學 自動化學院， 江蘇 南京 210016)

“自動控制原理”實驗設(shè)計與教學改革思考

盛守照, 葉馮超, 孫臣武

(南京航空航天大學 自動化學院， 江蘇 南京 210016)

“自動控制原理”課程作為自動化專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程，它對實驗教學提出了很高要求。本文針對“自動控制原理”實驗教學現(xiàn)狀，結(jié)合典型的伺服實驗平臺，從實驗設(shè)計和實驗教學改革兩方面探討提升實驗教學質(zhì)量的措施，以深化學生對控制理論的理解，提升學生的實踐能力。

自動控制原理；實驗設(shè)計；實驗教學改革；伺服系統(tǒng)

0 引言

“自動控制原理”課程作為自動化專業(yè)主干課程，涵蓋面廣，理論性強，內(nèi)容抽象。學好該門課程，不僅需要數(shù)學和電類等方面知識，還需要將理論與實際相結(jié)合[1]。目前，國內(nèi)多數(shù)高校的“自動控制原理”課程采用以下幾種實驗教學方式：①運用Matlab開展控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真。通過建模得到對象傳遞函數(shù)，再運用時域和頻域方法進行系統(tǒng)性能分析與綜合設(shè)計[2]。這一過程主要在理論層面研究抽象的傳遞函數(shù)，學生難以建立控制器與被控對象的相互關(guān)系概念。②利用硬件實驗箱作為實驗工具，開展控制系統(tǒng)相似模擬實驗。例如使用電阻、電容和電感等元器件模擬比例、積分、微分和慣性等典型環(huán)節(jié)[3]，這種實驗模式缺乏直觀性。③利用復雜的控制系統(tǒng)開展實驗教學。例如利用倒立擺、小車運動控制系統(tǒng)和三容水箱作為對象構(gòu)建相應的實驗平臺，再利用Matlab開展控制設(shè)計，但這些復雜的實驗平臺往往不適用于基礎(chǔ)教學[4]。

因此，有必要從實驗設(shè)計和實驗教學兩方面探討提升實驗教學質(zhì)量的措施，以深化學生對控制理論的理解，提升學生的實踐能力。

1 實驗設(shè)計改革

伺服控制系統(tǒng)輸出能夠以一定準確度跟隨輸入變化，快速跟蹤和準確定位是其重要技術(shù)指標，符合自動控制原理的穩(wěn)、準、快的控制思想[5]。從實驗設(shè)計角度而言，以伺服控制系統(tǒng)作為實驗平臺，能將理論與應用緊密結(jié)合，可以更好地鍛煉學生的動手能力，增強學生的工程經(jīng)驗。

圖1為針對實驗設(shè)計改革所設(shè)計的伺服控制系統(tǒng)綜合實驗平臺。作為執(zhí)行元件的力矩電機與反饋元件的光電編碼器同軸安裝于臺體內(nèi)部，臺體頂部圓盤為負載設(shè)備，電機直接與圓盤相連驅(qū)動負載。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。實驗平臺配備了不同轉(zhuǎn)動慣量的負載，可通過固定支架安裝在轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)盤頂部，從而可以有效模擬不同負載特性的系統(tǒng)。

圖1 伺服系統(tǒng)及其控制器實物圖

圖2 伺服控制系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)示意圖

以位置控制系統(tǒng)實驗為例說明，控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中，β和Kv分別為電流環(huán)和速度環(huán)反饋系數(shù)，θr,θc和Tc分別為系統(tǒng)輸入輸出和擾動輸入信號，ep為位置誤差信號，ωr為速度環(huán)指令信號，u為伺服系統(tǒng)的控制電壓信號，Gv1(s)和Gv2(s)組合構(gòu)成速度回路串聯(lián)校正，Gpl(s)和Gp2(s)組合構(gòu)成位置回路串聯(lián)校正，Gf(s)為前饋補償控制，Gn(s)為擾動補償控制，擾動耦合通道的傳遞函數(shù)為Kn(τns+1)。

學生通過配置位置環(huán)和速度環(huán)各控制環(huán)節(jié)，可開展不同類型的控制實驗，具體包含以下實驗項目：

(1)開環(huán)系統(tǒng)建模實驗：通過階躍響應或頻率

圖3 位置控制結(jié)構(gòu)圖

特性實驗，對開環(huán)系統(tǒng)進行建模。例如對開環(huán)系統(tǒng)施加不同頻率的激勵信號u，通過對記錄的輸入輸出信號進行FFT(快速傅里葉)變換，得到開環(huán)系統(tǒng)的頻率特性，如圖4所示，學生可根據(jù)頻率特性曲線擬合開環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。

圖4 頻率特性圖

(2)伺服系統(tǒng)時域和頻域響應實驗：通過整定速度環(huán)和位置環(huán)控制參數(shù)，改善伺服系統(tǒng)跟蹤位置指令信號的能力，圖5為伺服系統(tǒng)位置階躍響應曲線實例圖。

圖5 位置階躍響應

(3)伺服系統(tǒng)頻域校正實驗：采用頻域法整定串聯(lián)校正環(huán)節(jié)參數(shù)，以改善系統(tǒng)跟蹤性能。頻域校正除了常規(guī)的超前校正、滯后校正、滯后-超前校正外，本實驗平臺還引入了二級串聯(lián)校正，主要用于提供較大相角超前量等情況。

(4)伺服系統(tǒng)復合校正實驗：對于控制系統(tǒng)存在的外部擾動，尤其是低頻擾動，或者對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度和響應速度要求很高時，單獨采用反饋控制校正往往難以滿足要求，為此結(jié)合前饋校正和串聯(lián)校正兩種方式，以更好地改善系統(tǒng)輸出性能。

同理，可利用綜合實驗平臺開展速度控制實驗。由此可見，綜合實驗平臺具備現(xiàn)實控制系統(tǒng)的完整性及實驗內(nèi)容多樣性的特點與優(yōu)勢，提供了豐富的可選實驗項目，并且貼合工程實際，有助于學生通過實踐加深對控制理論的理解，為提高學生的工程實踐能力及動手能力提供了很好的實驗條件。

2 實驗教學改革

2.1 優(yōu)化實驗平臺，完善教學內(nèi)容

“自動控制原理”實驗教學需要立足于專業(yè)培養(yǎng)目標，從改革和完善實驗教學內(nèi)容入手，全面審視以往實驗教學環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的問題，充分利用綜合實驗平臺的資源優(yōu)勢，對實驗項目進行優(yōu)化與整合。

在實驗類型上看，利用綜合實驗平臺可開設(shè)理論驗證型、功能設(shè)計型和系統(tǒng)綜合型等多種實驗形式，由淺入深、循序漸進。

理論驗證型實驗以理論基礎(chǔ)為核心，學生通過實驗平臺驗證控制基礎(chǔ)理論，加強對控制基本概念的理解，例如開展階躍響應實驗時，可直觀觀察不同控制結(jié)構(gòu)和參數(shù)下系統(tǒng)的動態(tài)響應。

功能設(shè)計型實驗給定實驗條件和實驗要求，讓學生自己設(shè)計實驗方案并加以實現(xiàn)，例如PID實驗、串聯(lián)校正實驗和擾動補償控制實驗等，要求學生結(jié)合基礎(chǔ)實驗所獲得的結(jié)論，設(shè)計出滿足一定性能要求的控制系統(tǒng)，鍛煉學生分析問題和解決問題的能力。

系統(tǒng)綜合型實驗是在了解和掌握上述的驗證型實驗和設(shè)計型實驗的基礎(chǔ)上，進一步開拓創(chuàng)新，要求學生以整個控制系統(tǒng)為對象設(shè)計出一套能滿足各項性能指標要求的控制方案，這類實驗可在提升學生系統(tǒng)觀念的基礎(chǔ)上，進一步培養(yǎng)其獨立思考、創(chuàng)新研究和知識綜合的能力。

基于綜合實驗平臺開展多類型的實驗項目，能充分發(fā)揮實驗平臺適應各層次教學的優(yōu)勢，獲得更加全面的教學效果。

2.2 強化教師團隊，提高教學水平

教師作為實驗教學的主導者，對學生實驗項目的順利進行有著重要的引導作用。隨著綜合實驗平臺的建立，對實驗指導教師提出了更高的要求。例如在開展實驗平臺模型辨識實驗、頻域校正實驗、復合校正實驗時，這些實驗項目都涉及到自動控制理論多個關(guān)鍵知識點；在開展大型探究性綜合實驗往往會涉及到工程實踐問題，這都要求實驗指導教師必須具有豐富的工程經(jīng)驗及實踐教學能力。因此，有必要大力強化教師團隊，要求理論授課教師參與實驗教學工作，與具有工程經(jīng)驗的實驗指導教師一同編制實驗任務，將抽象的理論知識與實踐環(huán)節(jié)相結(jié)合，充分發(fā)揮實驗平臺的資源優(yōu)勢。

此外，可以選拔優(yōu)秀的研究生參加實驗室教學指導工作。研究生經(jīng)過專業(yè)知識學習，加上參與科研項目的經(jīng)驗，能較快掌握實驗平臺的使用，作為教師團隊的輔助力量參與到實驗教學工作中來。為此可將班級按固定人數(shù)進行分組，每個小組配置一名研究生參與指導，從實驗操作及理論講解方面對學生進行更加深入有針對性地指導。

2.3 改革考核方式，改善教學效果

作為學生實驗成績評定的標準，考核方式對于實驗教學具有導向作用。制定合理有效的考核方式，對于學生的實驗積極性具有促進作用。傳統(tǒng)實驗課程的考核往往以課堂實驗成果及課后實驗報告質(zhì)量作為評判標準。由于實驗內(nèi)容的一致性，實驗過程中往往出現(xiàn)抄襲現(xiàn)象，課后提交的實驗報告也存在雷同現(xiàn)象，導致考核結(jié)果難以反映學生的真實水平，這導致降低了實驗過程中學生的積極性與主動性，造成了綜合實驗平臺資源的低效利用，難以達到預期的實驗效果。實驗考核方式的改革，要求充分發(fā)揮考核的目標導向性，在監(jiān)督實驗過程的同時，提倡個性化發(fā)展，激勵探索精神，具體可以從以下兩點入手。

(1)建立以基礎(chǔ)實驗與綜合實驗相結(jié)合的新型考核方式。綜合實驗平臺的建設(shè)，為基礎(chǔ)型實驗與綜合型實驗的開展提供了理想的硬件平臺。對于這兩種實驗類型，分別采用不同的考核方法?；A(chǔ)實驗部分的考核以減分方式進行評價，根據(jù)“自動控制原理”實驗課程要求掌握的知識點設(shè)置評分點，重在考核學生掌握基礎(chǔ)理論與實驗技能的情況。綜合實驗部分的考核以加分方式進行評價，對學生設(shè)計的實驗難度與完成狀況進行評分。這兩部分在實驗成績中各占一定比重，與實驗報告一起，共同決定學生最終的實驗成績。這種方式兼顧了考核學生基礎(chǔ)理論的掌握情況和綜合實驗的設(shè)計能力，從而更加客觀地評價學生在實驗項目中的表現(xiàn)。

(2)建立一對一與一對多的復合型考核方式。一對一考核由一位教師與一位學生面對面進行，考核過程中，學生不僅需要進行實驗成果展示，同時需要結(jié)合理論分析實驗現(xiàn)象，例如在位置階躍信號實驗中，學生不僅需要給出優(yōu)化的控制參數(shù)與實驗結(jié)果，還需要在與指導教師一對一的實驗考核中分析各控制參數(shù)對輸出響應的影響。教師不單以實驗結(jié)果為唯一評判標準，還應根據(jù)學生的實際理解程度進行打分。一對多考核以分組的方式進行，學生以綜合實驗的分組為單位，統(tǒng)一參加考核，主要展示綜合實驗中各成員的分工與合作情況，指導教師根據(jù)各成員自身的工作量及對小組貢獻度，有區(qū)分地為各成員進行單獨打分。這一考核方式能使教師深入了解學生的實驗情況，分組考核方式可以避免小組成員互相抄襲的現(xiàn)象，兩種方式相結(jié)合，可更好地調(diào)動學生參與實驗項目的積極性。

3 結(jié)語

“自動控制原理”實驗教學質(zhì)量的好壞，取決于諸多因素，實驗設(shè)計與教學改革起著至關(guān)重要的作用。綜合實驗平臺所集成的多樣化實驗項目為學生探究學習和個性發(fā)展提供了良好的實驗環(huán)境，通過本實驗顯著地提高了學生的動手能力，增強了學生對控制理論的理解，使實驗教學真正成為全面提升學生綜合素質(zhì)和培養(yǎng)應用型創(chuàng)新人才的重要手段。

[1] 王建輝,徐林. 自動控制原理實驗教學的改革[J]. 上海: 實驗室研究與探索, 2005,24( S1):192-194.

[2] 劉云龍,王瑞蘭. 基于Matlab仿真的自動控制原理實驗教學改革[J]. 上海: 實驗室研究與探索, 2015,6:102-106.

[3] 齊曉慧,董海瑞. 基于“三層次”的自動控制原理實驗教學研究[J]. 南京: 電氣電子教學學報, 2006,3:80-84.

[4] 孫大衛(wèi),丁興俊. 一種典型自動控制原理實驗教學設(shè)備研究[J]. 北京: 實驗技術(shù)與管理, 2011,7: 79-81.

[5] 孫前來. 隨動系統(tǒng)的數(shù)字化改造及其應用[J]. 南京: 電氣電子教學學報, 2008, 30(6): 58-60．

The Experimental Design and Teaching Reform for the Course of Automatic Control Principle

SHENG Shou-zhao, YE Feng-chao, SUN Chen-wu

(CollegeofAutomationEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

The course of Automatic Control Principle is an important basic specialty course in the subject of control. As a result, the experimental design and teaching reform for the course of Automatic Control Principle should meet a higher requirement to improve the students′ practical abilities and project consciousness. In view of the present situation and problems of the experimental teaching, the measures to improve the experiment teaching quality are investigated in the experimental design and teaching reform, which allows the students to extend and deepen the understanding of the basic principle of the course of Automatic Control Principle.

automatic control principle; experimental design; experimental teaching reform; servo system

2016-03-17;

2016-07- 18

南京航空航天大學本科教學改革項目(1603ZJ)

盛守照(1977-)，男，博士，教授，主要從事自動控制教學與科研工作，E-mail: shengsz@nuaa.edu.cn

G642.0

A

1008-0686(2017)01-0131-04