工程控制基础实验教学模式改革与探索

韩 杨

(电子科技大学 机械电子工程学院，成都 611731)

工程控制基础实验教学模式改革与探索

韩 杨

(电子科技大学 机械电子工程学院，成都 611731)

介绍了基于LabACT硬件实验平台的工程控制基础课程实验教学模式的改革与探索，以频域系统分析与矫正为案例，通过LabACT硬件平台对基础理论进行实验验证。学生以模拟电路结构图为基础，推导传递函数表达式并设计超前补偿控制器，通过LabACT平台对课堂讲解的基础理论进行验证，将抽象的理论形象化，增强了学生对课程的学习兴趣，极大地提高了教学质量。

工程控制；LabACT硬件平台；实验教学；频域响应

近年来，计算机技术在机电类、电气信息类专业实验教学中的重要性日益凸显，众多高校逐步推行理论教学与实验教学相融合的创新教学模式[1-2]。基于计算机软件和硬件平台的实验课程改革与创新是培养高素质创新人才的必然选择[3-4]。工程控制基础是电气信息类专业的学科基础课，以信号与系统、微积分等课程为前续课程，理论难度大，学生掌握课程内容存在较大困难。笔者和课程组成员对该课程教学方法及教学内容进行了深入研究，创新教学方法，将LabACT硬件实验平台用于课程实验教学，进行了有益的探索[5-6]。

本文对工程控制基础课程实践教学模式进行探索，采用如图1所示的LabACT硬件实验平台进行时域响应、频域响应、系统分析与设计等模块的课程实验，以频域系统分析与矫正为案例，通过LabACT硬件平台对基础理论进行实验验证。学生以模拟电路结构图为基础，推导传递函数表达式并设计超前补偿控制器，通过LabACT平台对课堂讲解的基础理论进行验证，增强了学生对课程的学习兴趣，将抽象的理论形象化，极大地提高了教学质量，取得了良好的教学效果。

1 实验目的和原理

频域法校正主要是通过观察和分析被控对象的开环对数幅频特性和相频特性(波德图)来实现的。需要让学生掌握超前校正的原理；掌握利用闭环和开环的对数幅频特性和相频特性完成超前校正网络的参数计算；掌握在被控系统中如何串入超前校正网络，构建性能满足指标要求的新系统的方法。

超前校正的原理是：利用超前校正网络的相角超前特性，使中频段斜率由-40 dB/dec变为-20 dB/dec并占据较大的频率范围，从而使系统相角裕度增大，动态过程超调量下降；并使系统开环截止频率增大，从而使闭环系统带宽增大，响应速度加快。超前校正网络的电路图及伯德图如图1所示。

图1 超前校正网络的电路图及伯德图

超前校正网络传递函数为：

(1)

网络的参数为：

(2)

在设计超前校正网络时，应使网络的最大超前相位角φm尽可能出现在校正后的系统的幅值穿越频率ωc′处，即ωm=ωc′。网络最大超前相位角为：

(3)

φm处的对数幅频值为：

(4)

网络的最大超前角频率为：

(5)

从式(1)可知，接入超前校正网络后，被校正系统的开环增益要下降a倍。为了保持与系统未校正前的开环增益相一致，接入超前校正网络后，必须另行提高系统的开环增益a倍来补偿。

2 实验内容及步骤

频率特性测试的步骤如下：

1)观测被控系统的开环对数幅频特性L(ω)和相频特性φ(ω)，幅值穿越频率ωc，相位裕度γ，按“校正后系统的相位裕度γ′要求”设计校正参数，构建校正后系统；

2)观测校正前、后时域特性曲线，测量校正后系统的相位裕度γ′、超调量Mp、峰值时间tP；

3)改变“校正后系统的相位裕度γ”要求，设计校正参数，构建校正后系统，画出系统模拟电路图和阶跃响应曲线，观测校正后相位裕度γ′、超调量Mp、峰值时间tP。

2.1 未校正系统的时域特性测试

图3为未校正系统的模拟电路图，通过公式推导，可得开环传递函数为：

(6)

图2 未校正系统模拟电路图

通过在LabACT硬件实验平台搭建系统模型，可得如图3所示的未校正系统时域特性曲线。

图3 未校正系统的时域特性曲线实验波形

2.2 未校正系统的频域特性测试

图4为未校正系统的开环伯德图，测得未校正系统的频域特性：穿越频率ωc=9.49 rad/s，相位裕度γ=19°。根据控制理论可知，系统稳定裕度不足。

下面探讨如何利用LabACT硬件平台进行超前矫正。

图4 未校正系统开环伯德图实验结果

2.3 超前校正网络设计

在未校正系统模拟电路的开环伯德图上测得未校正系统的相位裕度γ=19°。如果要求校正后系统的相位裕度γ′=52°，则网络的最大超前相位角必须为：

(7)

式中：Δ为考虑γ(ωc<ωc′)所减的角度，一般取5°～10°。根据式(3)可计算出网络的参数：

(8)

算出网络的最大超前相位角φm处的对数幅频值为：LC(jm)=7 dB，串联超前校正网络参数：T=0.031 s。令C=1 μF，计算出：R4=155 kΩ，R5=38.7 kΩ。因此，超前校正网络传递函数为：

(9)

为了补偿接入超前校正网络后，被校正系统的开环增益要下降a倍，必须另行提高系统的开环增益a倍。因为a=5，所以校正后系统另行串入开环增益应等于5的运放A4。

2.4 串联超前校正后系统的频域特性测试

图5为串联超前校正后系统频域特性测试的模拟电路图，串联超前校正后系统的传递函数为：

(10)

图5 串联超前校正后系统频域特性测试的模拟电路图

学生根据稳定裕度的要求可以自主设计矫正参数，并在LabACT硬件平台上用模拟电路的形式完成跳线连接。学生反馈表明，该方法比纯理论教学趣味性更强，实验波形可以在电脑上实时显示，交互性很好，对培养学生的自主学习能力，提升学习兴趣，提高教学质量都有良好的效果。

图6 串联超前校正后系统的时域特性曲线实验结果

3 结束语

本文以频域系统分析与矫正为案例，介绍LabACT硬件平台对基础理论进行实验验证的案例分析。该案例以模拟电路结构图为基础，通过推导传递函数表达式并设计超前补偿控制器，通过LabACT平台对课堂讲解的基础理论进行验证。实践表明，本文所采用的教学模式将抽象的理论形象化、寓教于乐，极大地激发了学生的学习兴趣，显著地提高了教学质量，对类似课程开展基于硬件平台的实验教学提供了新的思路。

[1]赵雪梅. 仿真技术在单片机实验室建设中的应用[J].实验科学与技术，2013，11(3): 22-24.

[2]苏玉萍. 《数字电子技术》实验教学改革探析[J].实验科学与技术，2013，11(3): 81-83.

[3]罗文广，陈文辉，胡波，等. 电气信息类专业多元化实践教学模式的构建[J].实验室研究与探索，2013，32(5): 137-141.

[4]王波，张岩，王美玲，等. “模拟电子技术实验”课程的改革[J].实验室研究与探索，2013，32(4)：140-143.

[5]许丽川，叶小龙，李逢春，等.基于dSPACE的三相交流异步电机SVPWM实验设计[J].实验技术与管理，2012，29(9)：51-55.

[6]张晓瀛，马东堂，王德刚. 美国MIT电气科学与工程专业本科生培养[J].电气电子教学学报，2012，34(4)：8-10.

Reform and Investigation on Experiment Teaching for Control Engineering Basics Based on LabACT Platform

HAN Yang

(School of Mechatronics Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

This paper introduces the reform and investigation of experiment teaching for control engineering basics based on the LabACT hardware platform. The frequency domain analysis and system correction are presented, and theoretical analysis is confirmed by experiments using LabACT hardware. The students utilize analog simulation diagram to derive the transfer function and the lead compensator is designed. The fundamental theories of control engineering basics validated by using LabACT platform, which stimulates the learning interest, and significantly improved the teaching efficiency.

control engineering; LabACT platform; experimental teaching; frequency domain response

2013-10-17；修改日期: 2014-10-25

电子科技大学中央高校基本科研业务费资助项目(2672011ZYGX2011J093)；电子科技大学教学改革基金资助项目(2013XJYEL024)。

韩 杨(1982-)，男，博士，副教授，研究方向：电力电子装置与系统、新能源发电与智能微电网、电力系统无功补偿与有源滤波、多电平逆变器等。

G642.0；TM762

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2014.06.038