王玉鵬

摘 要：根據(jù)中國工程教育認證標準的要求，文章結(jié)合“自動控制原理”課程的特點，通過引用實用型、設(shè)計型實驗，實現(xiàn)“理論—實驗”一體化教學的目的。同時以“二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應與穩(wěn)定性”為案例，闡述了實驗的設(shè)計目標和設(shè)計思路。教學實踐表明，通過自動控制實驗教學，不僅充分發(fā)揮學生的創(chuàng)造能力，而且進一步加深對自動控制原理課程基本理論與基本概念的理解，取得良好的教學效果。

關(guān)鍵詞：自動控制原理；Labact實驗箱；實驗教學

中國工程教育認證標準要求高校培養(yǎng)的學生具有綜合運用所學科學理論和技術(shù)手段分析并解決工程問題的基本能力。掌握必要的工程基礎(chǔ)知識以及本專業(yè)的基本理論、基本知識；受到本專業(yè)實驗技能、工程實踐、計算機應用、科學研究與工程設(shè)計方法的基本訓練，具有創(chuàng)新意識和對新產(chǎn)品、新工藝、新技術(shù)和新設(shè)備進行研究、開發(fā)和設(shè)計的初步能力[1]。在大學本科教學過程中，實驗教學是非常重要的一個環(huán)節(jié)，是理論教學的有益補充，可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，訓練學生基本技能。

1 理論教學過程中存在的問題

“自動控制原理”是東北電力大學電氣工程及其自動化專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，知識覆蓋面廣、內(nèi)容多、理論性強[2]。老師在本科教學的過程中，通常采用理論教學，復雜的理論和公式推導過程枯燥無味，學生們學習的積極性不高，老師無法通過課堂教學把知識點傳授給學生。

2 實驗教學的主要目標

通過實驗教學可以解決課程理論教學中存在的問題?！白詣涌刂圃怼睂嶒灲虒W的主要目標包括以下幾點。

（1）培養(yǎng)學生分析問題的能力。根據(jù)中國工程教育認證標準的要求，通過引用實用型、設(shè)計型實驗，讓同學們?nèi)ヲ炞C課堂上學習到的知識，分析實驗結(jié)果。

（2）培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。依據(jù)課堂所學，設(shè)計新的實驗，鼓勵學生完成，充分調(diào)動學生的學習熱情，加強老師與學生的交流，提高學生的創(chuàng)新能力。

（3）培養(yǎng)學生的動手能力。結(jié)合“自動控制原理”課程的教學大綱，在實驗過程中，使學生充分掌握實驗所用儀器、儀表的使用方法，為將來的工作打下基礎(chǔ)。

（4）提高學生的綜合素質(zhì)。學生通過實用型、設(shè)計型實驗能夠綜合運用所學的專業(yè)知識，全面提高學生的綜合素質(zhì)。

3 課程實驗設(shè)計

3.1 設(shè)計案例

“自動控制原理”的教學中，控制系統(tǒng)的時域分析是一個教學難點。根據(jù)“自動控制原理”課程的教學大綱，學生應掌握二階系統(tǒng)對階躍輸入信號的響應。由于二階系統(tǒng)的階躍響應存在欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼三種情況，在本科教學過程中，若只采用理論教學方法，學生將會缺少形象認識，接受效果不是十分理想[3]?？紤]到二階系統(tǒng)的阻尼比、極點位置和階躍響應曲線形狀間存在一一對應的關(guān)系，在理論教學之后，應用Labact實驗箱，搭建一個典型的I型二階系統(tǒng)，注入單位階躍信號，讓學生觀察和分析系統(tǒng)在欠阻尼，臨界阻尼，過阻尼的瞬態(tài)響應曲線，并測量動態(tài)性能指標Mp和tp值。

3.2 原理分析

設(shè)計搭建的I型二階單位反饋閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路如圖1所示。主要由積分環(huán)節(jié)（A2單元）和慣性環(huán)節(jié)（A3單元）的構(gòu)成。

模擬電路的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

可推導得到阻尼比ξ和開環(huán)增益K滿足以下關(guān)系。（1）臨界阻尼響應：ξ=1，可推得K=2.5，選取R=40 kΩ。（2）欠阻尼響應：0<ξ<1，選取R=4 kΩ，K=25，ξ=0.316。（3）過阻尼響應：ξ>1，選取R=70 kΩ，K=1.43，ξ=1.32>1。

3.3 結(jié)果考察

學生結(jié)合“自動控制原理”課程所學的知識，計算該系統(tǒng)在階躍信號輸入時的動態(tài)性能指標Mp和tp，填入實驗表格如表1所示。

學生應用Labact實驗箱，搭建I型二階閉環(huán)系統(tǒng)模擬電路，改變慣性環(huán)節(jié)中的輸入電阻R（A11）來改變系統(tǒng)的開環(huán)增益K，進而改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)[4]。觀察和分析I型二階閉環(huán)系統(tǒng)在欠阻尼，臨界阻尼，過阻尼的瞬態(tài)響應曲線，如圖2所示。測量動態(tài)性能指標Mp和tp值，填入實驗表格。

4 結(jié)語

“自動控制原理”課程知識覆蓋面廣、內(nèi)容理論性強?；诶碚撀?lián)系實際的思想，引用實用型、設(shè)計型實驗，使學生加深對自動控制原理課程基本理論與基本概念的理解，培養(yǎng)了學生的思維能力和創(chuàng)新能力，教學效果顯著。

[參考文獻]

[1]劉惠敏.基于MATLAB的自動控制原理虛擬實驗教學平臺設(shè)計[J].實驗室科學，2016（3）：48-52.

[2]強盛，史小平，何朕.基于項目的“自動控制原理課程設(shè)計”改革探索[J].實驗室研究與探索，2013（11）：416-418.

[3]顧九春，王品，宋進桂，等.《自動控制原理》課程虛擬實驗平臺的設(shè)計[J].高校實驗室工作研究，2008（1）：50-53.

[4]王建輝，徐林，顧樹生.自動控制原理實驗教學的改革[J].實驗室研究與探索，2005（s1）：192-195.