自动控制原理课程中超前校正案例教学方法研究

2016-11-10王小增杨久红

赤峰学院学报·自然科学版 2016年19期

关键词：直流电机原理图传递函数

王小增，杨久红

（嘉应学院　电子信息工程学院，广东　梅州　514015）

自动控制原理课程中超前校正案例教学方法研究

王小增，杨久红

（嘉应学院电子信息工程学院，广东梅州514015）

如何将自动控制理论应用到实际的控制系统当中，加深学生对理论知识的理解和运用是每个理论课教师应该仔细考虑的问题.本文以自动控制原理课程中的超前校正为例，将案例教学法引入到课堂教学过程中.按照提出问题、分析问题和解决问题的思路，给出了直流电机调速系统超前校正案例教学法的具体实施过程.分析了直流电机调速系统超前校正前后的性能指标，并给出了模拟电路实验原理图.

案例教学；超前校正；自动控制原理；直流电机调速

1　引言

自动控制原理课程是自动化专业的一门专业基础课，衔接了高等数学、电路分析基础、模拟电子技术和数字电子技术等课程，为后续计算机控制、运动控制、电机拖动等专业课程学习的基础.该课程不仅理论综合性强，概念抽象，数学计算复杂，而且和工程实践关系密切，是难教、难学的一门课程［1］.随着我国现代化建设进程的全面推进，各专业应用型人才的需求已迫在眉睫.应用型人才培养目标要求学生既要掌握扎实的基本理论，又要练就较强的实际动手能力，将理论知识应用于工程实践［2］.目前教师通常采用的填鸭式和满堂灌的教学方法，将课本上的基本概念、基本理论和方法传授给学生，学生学习兴趣不足，教学效果不佳［3］.如何将生涩的自动控制理论植入到实际的控制系统当中，加深学生对理论知识的理解和运用是每个理论课教师应该仔细考虑的问题［4］-［5］.为此，本文从直流电机速度控制这一实际问题入手，以自动控制原理课程中的超前校正为例，提出了一种案例式的教学方法.

2　校正前系统性能分析

案例式的教学方法没有直接讲解超前校正理论，而是首先提出直流电机调速性能指标改善问题.为方便课堂教学，教学过程中首先建立了一种模拟直流电机调速的电路原理图，如图1所示.原理图中包括电阻、电容和运算放大器，便于采用Proteus等软件进行系统仿真分析.直流电机采用一个积分环节和一个时间常数为0.5s的惯性环节模拟.校正前直流电机系统只是采用比例控制，其中比例系数为20.由原理图可得直流电机调速系统框图如图2所示.校正前直流电机调速系统的开环传递函数为：

校正前直流电机调速系统的闭环传递函数为：

通过和二阶系统标准传递函数对比可得系统的无阻尼自然振荡频率ωn=6.32rad/s，阻尼比ξ=0.16.系统静态误差系数为20，超调量为60%，调整时间为4s.直流电机调速系统单位阶跃响应如图3所示.

图1　模拟直流电机调速电路原理图

图2　直流电机调速系统框图

图3　直流电机调速系统单位阶跃响应

3　超前校正环节设计

课堂教学过程中，根据提出的问题确定解决问题的方法.系统超调量和调整时间比较大，为改善系统的动态响应性能，确定超调量小于25%，调整时间小于1s，静态位置误差系数小于20.一般情况下，保证稳态性能的前提下，超前校正环节可以改善系统的动态性能.由系统超调量

可得系统的阻尼比ξ≥0.4.由系统的调整时间

可得系统的无阻尼自然振荡频率ωn≥10rad/s.由校正后系统静态误差系数为20，可得K=20.则校正后系统开环传递函数为：

根据方程（1）和（5）可得校正环节传递函数为：

4　校正后系统分析

根据确定的直流电机调速超前校正环节传递函数，建立系统框图如图4所示.超前校正后直流电机调速系统单位阶跃响应如图5所示.校正后直流电机调速系统超调量小于25%，调整时间小于1s，静态位置误差系数小于20，符合设计要求.根据超前校正环节传递函数，选择模拟电路中电阻和电容的数值，确定的模拟直流电机调速超前校正电路原理图如图6所示.