探究应用型院校自动制约原理实验教学

论文导读：践能力。因此，相比理论教学环节，实验教学环节显得更为重要。为了有效提高实验教学质量，提出了实验箱模拟与Matlab仿真相结合的实验教学策略，并在基本实验内容的基础上对其进行了拓展。1自动制约原理实验箱模拟目前国内各高校在自动制约原理实验教学环节中大多采用了自动制约原理实验箱，以提高学生的动手能力。我院所
摘 要：针对应用型本科院校自动制约原理的课程特点，提出了实验箱模拟与Matlab仿真相结合的实验教学策略，并在基本实验内容的基础上对其进行了拓展。教学实践表明，通过对比模拟实验结果与仿真实验结果，有效提高了学生的学习兴趣，加深了对自动制约原理重要概念、原理、策略的理解与掌握。
关键词：应用型本科院校 自动制约原理 Matlab 仿真
Research on the experimental teaching of automatic control theory in the application-oriented universities
Zhao Haifeng
Xuzhou institute of technology， Xuzhou， 221111， China
Abstract： According to the characteristics of the automatic control theory course in the application-oriented universities， an experimental teaching method which combined MATLAB simulation with experiment box was proposed. In addition the development was carried on based on the basic experiments. The teaching practice shows that the interest of students in learning is increased and the important concepts， principles and methods of the automatic control theory are understood better through contrasting simulation experiment results with the imitation results.
Key words： application-oriented universities； automatic control theory； Matlab； simulation
自动制约原理是我校电气工程及其自动化专业的一门专业必修课，也是进一步学习和研究其他制约理论的先行课程。自动制约原理主要内容包括：自动制约理论的发展简史和自动制约系统的一般概念、自动制约系统的一般表示策略和数学模型、三种常用分析策略（包括时域分析法、根轨迹法、频域法）的基本概念、基本原理及其应用、线性定常系统的设计等[1]。学生对自动制约原理的掌握程度，直接影响到计算机制约技术、调速技术等课程的学习，在电气工程及其自动化专业课程体系中占有极其重要的地位。本课程的教学目的与任务在于通过学习使学生掌握自动制约系统的工作原理、系统数学模型的建立、系统性能的分析策略以及改善系统性能的途径，从而为学生今后的学习和工作打下基础应用型本科院校自动制约原理实验教学由优秀论文网站www.7ctime.com提供,助您写好论文.。但由于自动制约原理内容抽象，含有大量的数学公式推导以及图表曲线，系统性强，学生普遍反映该课程比较难学，期末考试通过率较低。
我校作为应用型本科院校，与研究型本科院校不同，不要求学生掌握烦琐理论公式的推导与证明，而是注重理论与实际相结合，培养学生工程实践能力。因此，相比理论教学环节，实验教学环节显得更为重要。为了有效提高实验教学质量，提出了实验箱模拟与Matlab仿真相结合的实验教学策略，并在基本实验内容的基础上对其进行了拓展。
1 自动制约原理实验箱模拟
目前国内各高校在自动制约原理实验教学环节中大多采用了自动制约原理实验箱，以提高学生的动手能力[2]。我院所使用的EL-AT-III型自动制约原理实验箱面板如图1所示。实验箱面板主要包括：八组实验模块、二极管、电阻、电容区、A/D、D/A卡输入输出模块、电源模块以及变阻箱、变容箱模块。
图1 自动制约原理实验箱面板示意图
EL-AT-III型自动制约原理实验箱的基本原理是采用复合网络法模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络与反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节相连，便可得到相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线，通过简单计算便可获得系统动态与稳态性能指标。通过自动制约原理实验箱模拟实验，有利于学生进一步掌握系统模拟电路的构成。
笔者以编号为S05203302的“二阶系统阶跃响应”为例。本实验的主要目的在于研究二阶系统特征参数：阻尼比和无阻尼自然振荡频率对系统动态性能的影响，分析阻尼比和无阻尼自然振荡频率与最大超调量和调节时间之间的关系。在本实验中，自动制约原理实验箱模拟实验的具体步骤如下：
步骤1：连接被测量典型环节的模拟电路。如图1所示，电路的输入U1接A/D及D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D和D/A卡的AD1输入，将两个积分电容的两端连在模拟开关上。检查无误后接通电源。
步骤2：启动计算机，运转软件。
步骤3：测查USB线是否连接好。按F1键并在实验项目下拉框中选中任一实验，按F5键并在弹出的参数设置对话框中设置参数，然后按确定按钮。如果此时无警告对话框出现，则表示通信正常，如果出现警告，则表示通信不正常，需首先找出理由，使通信正常后方可继续进行实验。
步骤4：在实验项目的下拉菜单中选择实验“二阶系统阶跃响应”，按F5键弹出实验参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数后，用鼠标单击确认，等待屏幕的显示区显示实验结果。步骤5：根据式（1）由显示的波形计算最大超调量 以及调节时间的数值，并与理论值比较，保存系统动态响应曲线。
（1）
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　步骤6：转变系统参数，进一步分析研究参数对系统性能的影响。
2 Matlab仿真
作为目前国际制约界最流行的仿真语言，Matlab可提供丰富的矩阵处理功能，可方便设计制约系统[3]。仍以“二阶系统阶跃响应”为例，Matlab仿真实验的具体步骤如下：
步骤1：利用函数TF建立系统传递函数模型。TF调用格式为sys=tf（num，den），其中num为传递函数分子系数向量，den为传递函数分母系数向量。
步骤2：利用函数STEP求二阶系统阶跃响应。STEP调用格式为：y=step（num，den，t），其中t为选定的仿真时间向量，y为系统在仿真时刻各个输出所组成的矩阵。
步骤3：根据y与t，利用Matlab编程计算二阶系统阶跃响应的动态性能指标：超调量、调节时间、峰值时间、延迟时间、上升时间。
步骤4：在同一张Figure中，利用Matlab编程绘制不同阻尼比对应的典型二阶系统单位阶跃响应曲线以及不同无阻尼自然振荡频率对应的典型二阶系统单位阶跃响应曲线，总结归纳相关结论。
步骤5：对比自动制约原理实验箱模拟实验结果与Matlab仿真实验结果，总结归纳相关结论。
3 实验教学内容拓展
学生完成基本实验内容之后，可在任课教师指导下，对其进行拓展。仍以“二阶系统阶跃响应”为例，完成上述实验内容后，可指导学生通过Matlab编程，分别实现比例—微分制约和输出量的微分反馈制约（如图2所示），以改善二阶系统响应特性。其中比例—微分制约是在二阶系统前向通道中加入了比例—微分环节（Td为微分系数），而输出量的微分反馈制约是将输出量的微分信号采用负反馈的形式，反馈到输入端并与误差信号相比较（Kt为微分反馈系数）。
比例-微分制约 输出量的微分反馈制约
图2 改善二阶系统响应特性的两种常用策略
为了便于学生验证自己所编写程序的准确性，任课教师可提供比例—微分制约前后系统阶跃响应曲线（如图3所示）。任课教师指导学生通过Matlab编程计算，定量分析两种常用策略对二阶系统响应特性的改善，并尝试分析定性所得结论。
图3 比例-微分制约前后系统阶跃响应曲线
4 结束语
为了提高学生学习自动制约原理的兴趣，加深对自动制约原理重要概念、原理、策略的理解与掌握，针对应用型本科院校自动制约原理的课程特点，提出了自动制约原理实验箱模拟与Matlab仿真相结合的实验教学策略，并在基本实验内容的基础上对其进行了拓展。教学实践验证了策略的有效性。
参考文献
[1]刘丁.自动制约理论[M].北京：机械工业出版社，2013.
[2]结硕，韩光胜.Matlab在自动制约原理实验中的应用[J].实验技术与管理，2012，29（2）：95-97，108.
[3]刘卫国.Matlab程序设计与应用[M].第二版.北京：高等教育出版社应用型本科院校自动制约原理实验教学相关范文由写论文的好帮手www.7ctime.com提供,转载请保留.，2012.