新工科背景下“自动控制原理课程设计”教学改革

2021-03-21孙太任张军

科技创新导报 2021年29期

孙太任张军

摘要：本文根据新工科人才培养理念，面向一流本科专业，针对“自动控制原理课程设计”中存在的问题，提出了以项目为主线的课程设计模式，将控制系统的分析与综合融为一体，以期提高学生分析、解决复杂工程问题的能力。课程设计以激光陀螺抖动控制环路为研究对象，进行系统稳定性、时域性能、根轨迹、频域性能、离散系统、系统校正等内容的分析与设计，构建从控制系统分析到综合的完整体系，并借助计算机仿真软件 Matlab 进行辅助设计，使系统满足性能指标的要求。实践结果表明，通过课程设计教学改革，可有效提高学生的控制系统工程实践能力、创新能力，以及团队协作能力。

关键词：自动控制原理课程设计控制设计项目新工科复杂工程问题

中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：

Teaching Reform of "Curriculum Design of Automatic Control Principle" under the Background of New Engineering

SUN Tairen1 ZHANG Jun2

（1. School of Health Science and Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai， 200093 China;

2. School of Electrical and Information Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu Province， 212013 China）

Abstract： According to the concept of cultivating new engineering talents and facing the first-class undergraduate majors， this paper puts forward the project-based curriculum design mode in view of the existing problems in the “Curriculum design of automatic control principle”. The analysis and synthesis of control system are integrated in order to improve students' ability to analyze and solve complex engineering problems. The course design takes the dithering control loop of laser gyro as the research object， analyzes and designs the system stability， time domain performance， root locus， frequency domain performance， discrete system and system correction， constructs a complete system from control system analysis to synthesis， and carries out auxiliary design with the help of computer simulation software Matlab to make the system meet the requirements of performance indicators. The practice results show that the curriculum design teaching reform can effectively improve students' practical ability， innovation ability and teamwork ability of control system engineering.

Key Words： Curriculum design on automatic control principle; Control design project; New engineering; Complex engineering problem

2017年2月，教育部提出“新工科理念”，內涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才。作为电子类及相关专业的专业必修课程，“自动控制原理课程设计”对新工科^[1-3]下人才的培养起着重要的支撑作用。该课程意在培养学生利用经典控制理论解决实际控制问题的能力，是在经典控制理论学完之后，利用一周左右时间进行的课程设计，要求学生能用时域法、频域法对实际控制系统进行分析和设计，并借助Matlab 进行辅助设计，满足系统各个性能指标。

“自动控制原理课程设计”在培养学生应用创新能力和工程实践能力方面扮演着极为重要的角色^[4]。然而，传统的课程设计大多是单纯利用 Matlab对基本控制理论进行验证，导致学生的知识点支离破碎，对控制系统的分析与设计仍然无从下手，难以提高解决复杂工程问题能力。针对这种情况，对“自动控制原理课程设计”进行教学改革和创新^[5-8]尤为必要。本文中，我們秉承“新工科理念”，以激光陀螺抖动控制^[9]环路为研究对象，将项目做为主线贯穿在整个课程设计中，进行系统稳定性、时域性能、根轨迹、频域性能、离散系统、系统校正等内容的分析与设计，并借助计算机仿真软件 Matlab 进行辅助设计，从而将控制系统分析与综合设计融为一体，形成控制系统分析和综合的完整体系，以期提高学生的工程实践能力和创新能力。

1 “自动控制原理课程设计”设计题目

结合我国载人航天和火星登陆的航天热点，展开本次课程设计的思政教育，阐述自动控制在国防GNC领域中的重要地位，以及面临的挑战，激发学生的学习热情。设计题目选自于导航领域中的热点问题——激光去抖系统分析与设计。基于Sagnac效应的激光陀螺具有量测精度高、稳定性好等优点，已广泛运用于惯导系统，但其内部存在闭锁效应使其不能敏感于低于闭锁阈值的转动角速度的变化。本课程设计目的是设计激光去抖系统消除闭锁效应。在这方面，目前最广泛运用模拟正弦驱动激光陀螺，另外施加一个交变的机械抖动，使工作点脱离锁区，从而减小闭锁误差^[10]。为了保持交变机械抖动在时间温度等条件下的稳定，需要实现闭环抖动控制（见图1）。

抖动控制环路的广义开环传递函数如下：

该模型不是自控原理教材中典型的二阶系统，具有一定的广度，扩大了学生对被控对象的认识。

2 “自动控制原理课程设计”设计流程

课程设计将激光去抖系统做为主线贯穿在整个课程设计中，将文献[10]系统校正问题进一步深入，进行控制系统稳定性、时域性能、根轨迹、频域性能、离散系统、系统校正等内容的分析与设计，并借助计算机仿真软件 Matlab 进行辅助设计，具体流程为：

（1）系统稳定性分析：当T₀=10， 1， 0.1， 0.01不同数值时，分析单位负反馈下的抖动控制环路的稳定性。这部分主要学生思考劳斯判据和求根两种方法在判断系统稳定性的异同点，拓展理解 Matlab 辅助设计的必要性，并且从抖动控制电路原理思考为什么需要判断系统稳定性，如果系统不稳定怎么处理？

（2）输出响应：当T₀=10， 1， 0.1， 0.01不同数值时，求出闭环系统的冲激响应曲线，阶跃响应曲线（单位负反馈），分析T₀的大小对输出性能的影响，用M语言命令函数和Simulink两种方式完成，这部分主要加强学生理解系统参数对输出响应的影响。

（3）时域指标：求出闭环抖动控制环路的时域指标，包括上升时间、超调量、调节时间及稳态误差等。这部分要求学生从仿真图直接观测时域指标，并与理论计算值相比较。

（4）根轨迹绘制：当T₀=[0， +∞]变化时，画出抖动控制环路的根轨迹图，求出系统稳定的范围;

（5）幅相曲线：画出T₀=10， 1， 0.1， 0.01时的奈氏曲线图，这部分从频域角度来分析闭环系统稳定性。

（6）频域指标：画出T₀=10， 1， 0.1， 0.01时抖动控制环路的波特图，求出相应的相较裕度和幅值裕度，截止频率，思考渐近线方法和MATLAB画波特图的差别在哪里;分析频域指标与时域指标关系;这部分要求学生会从仿真图中读出相位和幅值裕度。

（7）系统校正：当T₀=0.017时，设计超前校正网络使得抖动控制环路截止频率大于21rad/s，相角裕度大于45度，画出校正网络的Bode图和阶跃响应曲线;这部分要求分析抖动控制系统的快速性和稳定性之间关系，写出设计校正流程，并采用 Matlab 进行辅助设计校验性能指标。

（8）离散系统：当采样周期分别为T=10， 1， 0.1， 0.01，T₀=1时，求出抖动控制环路离散化模型，判断离散系统模型的稳定性，画出离散冲激响应和阶跃响应，并分析周期T对闭环控制系统暂态、稳态性能的影响。根据上述仿真结果，分析采样周期选取规则。这部分要求学生根据差分方程写出输出响应，加深离散系统的工作原理。

（9） PID参数设计：图1中的抖动结构开环传递函数如下：

采用Simulink，根据试凑法设计PID控制器，实现在阶跃响应信号跟踪，分析P、I、D这3个参数的作用，以及调试规则，为后续的过程控制课程做铺垫。

3 成绩评定方法

成绩考核以计算机仿真和设计报告为考核依据。成绩等级分为优、良、及格、不及格。百分制评分标准如表 1 所示。

上述自动控制原理课程设计教学改革已在教学中进行试验。学生高度认可课程设计模式，认为该模式把控制理论、仿真、设计等有机结合起来，加深了自动控制原理频域和时域、连续和离散、分析与综合等知识点的联系与区别，有效提高学生的控制系统工程实践能力、创新能力，以及团队协作能力。

4 结语

基于新工科人才培养目标，本文提出以激光陀螺抖动控制环路为主线的自动控制课程设计模式，进行系统稳定性、时域性能、根轨迹、频域性能、离散系统、系统校正等内容的分析与设计，将控制系统的分析与综合融为一体，有效提高学生的控制系统工程实践能力、创新能力，以及团队协作能力。

参考文献

[1] 杨扬，张清勇. 新工科背景下“自动控制原理”实验教学改革[J]. 电气电子教学学报，2021，43（4）：157-160.

[2] 王晶，薛光辉. “新工科”背景下机器人学课程教学改革与探索[J]. 科技创新导报， 2020， 17（8）： 180-181.

[3] 李磊.“新工科”背景下的机械工程毕业设计改革研究[J]. 科技创新导报， 2020， 17（2）： 212，214.

[4] 强盛，史小平，何朕. 基于项目的“自动控制原理课程设计”改革探索[J]. 实验室研究与探索，2013，32（11）：416-418.