導(dǎo)語：自動控制原理課程關(guān)鍵問題探討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

【摘要】本文針對“自動控制原理”課程中開閉環(huán)、誤差傳遞函數(shù)，系統(tǒng)類型，典型數(shù)學(xué)模型之間轉(zhuǎn)換關(guān)系三個易混淆關(guān)鍵問題，運用舉例、專題教學(xué)、課程討論等教學(xué)方法由淺入深開展課程學(xué)習(xí)。結(jié)果表明，教學(xué)效果良好，學(xué)生不僅對三個易混淆關(guān)鍵問題進(jìn)一步加深印象，理清課程知識主線，同時也在一定程度上增強(qiáng)了學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】自動控制原理；傳遞函數(shù)；系統(tǒng)類型；數(shù)學(xué)模型

1引言

“自動控制原理”是自動化、電氣等工科類專業(yè)的必修課程，該課程理論性強(qiáng)，物理概念多，數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程復(fù)雜[1]。如果以傳統(tǒng)教學(xué)方法構(gòu)建課堂，勢必會導(dǎo)致學(xué)生滋生抵觸情緒，對于關(guān)鍵問題概念模糊，影響課程學(xué)習(xí)，最終自暴自棄只求通過期末考試，達(dá)不到工程教學(xué)的目的。本文以開閉環(huán)、誤差傳遞函數(shù)，系統(tǒng)類型，典型數(shù)學(xué)模型之間轉(zhuǎn)換關(guān)系三個易混淆關(guān)鍵問題為研究對象，利用舉例、專題教學(xué)、課程討論等教學(xué)方法開展課程學(xué)習(xí)，由淺入深幫助學(xué)生理清關(guān)鍵問題的概念，有助于學(xué)生更好的掌握課程知識主線，開展后續(xù)課程學(xué)習(xí)。

2開閉環(huán)、誤差傳遞函數(shù)

2.1開閉環(huán)、誤差傳遞函數(shù)概念分析

閉環(huán)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中C(s)為被控量，R(s)為給定信號，B(s)為反饋量，E(s)為誤差信號，D(s)為擾動信號。開環(huán)傳遞函數(shù)定義為反饋量與誤差信號的比值，根據(jù)定義可寫為式1。閉環(huán)與開環(huán)概念不同，需分兩種情況討論。當(dāng)給定信號R(s)作用時，忽略D(s)，可將圖1化簡為圖2，由圖2可得此時閉環(huán)傳遞函數(shù)為式2。當(dāng)擾動信號D(s)作用時，忽略R(s)，此時一定要明確輸入信號為擾動信號。以此為依據(jù)，可將圖1化簡為圖3，由圖3可得此時閉環(huán)傳遞函數(shù)為式3.誤差傳遞函數(shù)與開閉環(huán)最大的區(qū)別為其輸出信號為誤差信號，與閉環(huán)傳遞函數(shù)類似，也需分兩種情況討論[2]。當(dāng)給定信號R(s)作用時，忽略D(s)，可將圖1化簡為圖4，由圖4可得此時誤差傳遞函數(shù)為式4。當(dāng)擾動信號D(s)作用時，忽略R(s)，可將圖1化簡為圖5，由圖5可得此時誤差傳遞函數(shù)為式5。

2.2開閉環(huán)、誤差傳遞函數(shù)舉例分析

取G1(s)=2/(s+5)，G2(s)=5/s，H(s)=2，D(s)=-1(t)，代入圖1可得圖6。由圖6可容易求出G(s)=10/(s2+5s)，由式1可得開環(huán)傳遞函數(shù)Gk=20/(s2+5s)。由式2、式3可得給定信號R(s)作用時與擾動信號D(s)作用時閉環(huán)傳遞函數(shù)分別為Φ(s)=10/(s2+5s+20)，Φd(s)=(s+5)/(0.2s2+s+4)。由式4、式5可得給定信號與擾動信號作用時誤差傳遞函數(shù)分別為Φer(s)=(s2+5s)/(s2+5s+20)，Φed(s)=-(s+5)/(0.1s2+0.5s+2)。在實際工程中，若所給結(jié)構(gòu)圖與典型結(jié)構(gòu)圖形式不符時，可利用結(jié)構(gòu)圖等效化簡將其化為典型結(jié)構(gòu)求解相關(guān)問題[3]。開閉環(huán)、誤差傳遞函數(shù)概念對后續(xù)課程學(xué)習(xí)至關(guān)重要，經(jīng)過對概念深入剖析以及例證法練習(xí)強(qiáng)調(diào)，學(xué)生基本可以掌握這一易混淆知識點。

3系統(tǒng)類型

自控理論教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對于控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差分析、伯德圖繪制等知識點往往基本概念清楚，但實際應(yīng)用易出錯[4]。究其原因，是與之相關(guān)的系統(tǒng)類型相關(guān)概念掌握薄弱。在因式中常數(shù)項為1的前提條件下，控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)一般式可寫為式6。式中，常數(shù)K即為系統(tǒng)開環(huán)增益；系統(tǒng)類型數(shù)或稱為無差度為積分環(huán)節(jié)個數(shù)v；v的個數(shù)直接對應(yīng)于系統(tǒng)型別，如v值為0，1，2分別對應(yīng)為0型、Ⅰ型、Ⅱ型系統(tǒng)。Ⅲ型及更高型別系統(tǒng)在控制工程領(lǐng)域一般不會出現(xiàn)，故我們僅研究Ⅲ型以下系統(tǒng)即可。設(shè)系統(tǒng)1、系統(tǒng)2開環(huán)傳遞函數(shù)分別為G1(s)=7/[s(s+1)]，G2(s)=(s+1)/[s2(s+2)]。將系統(tǒng)1開環(huán)傳遞函數(shù)G1與式6對比，可發(fā)現(xiàn)其符合一般形式，可直接判斷其是開環(huán)增益為7的Ⅰ型系統(tǒng)。對于系統(tǒng)2，經(jīng)過與式6對比，發(fā)現(xiàn)其不符合一般形式。將其傳遞函數(shù)除以2得G2(s)=[0.5(s+1)]/[s2(0.5s+1)]，此時符合一般形式，容易判斷系統(tǒng)2為開環(huán)增益為0.5的Ⅱ型系統(tǒng)。以概念分析加例證分析后，學(xué)生對于這一易混淆知識點基本能夠掌握，為后續(xù)學(xué)習(xí)打下了一定的基礎(chǔ)。

4典型數(shù)學(xué)模型之間轉(zhuǎn)換關(guān)系

自控課程概念多，理論性強(qiáng)，特別是關(guān)于數(shù)學(xué)模型的定義以及分類，由于定義抽象，大部分學(xué)生概念模糊，影響對于課程的學(xué)習(xí)[5]。控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型可分為時域、復(fù)域、頻域三種，比較重要的是時域中的微分方程、復(fù)域中的傳遞函數(shù)、頻域中的頻率特性。學(xué)生在課程后半段學(xué)習(xí)接觸到頻率特性時，往往概念模糊，難以與所講傳遞函數(shù)建立聯(lián)系。頻率特性定義為穩(wěn)態(tài)輸出與輸入復(fù)數(shù)之比，經(jīng)過進(jìn)一步分析可得式7。分析式7可以清晰傳遞函數(shù)與頻率特性之間的聯(lián)系，結(jié)合課程中微分方程與頻率特性、傳遞函數(shù)關(guān)系，可將三種典型數(shù)學(xué)模型之間轉(zhuǎn)換關(guān)系總結(jié)為圖7。典型RLC網(wǎng)絡(luò)微分方程為式8，由圖7將式8中所有d/dt對應(yīng)為s，結(jié)合傳遞函數(shù)定義可得式8所對應(yīng)傳遞函數(shù)為式9。將式9所有s對應(yīng)為jω可得其頻率特性為式10。將式8所有d/dt直接對應(yīng)于jω，結(jié)合頻率特性定義同樣可得式10。這也間接證明了圖7所示三種典型數(shù)學(xué)模型之間轉(zhuǎn)換關(guān)系的正確性。對于這一關(guān)鍵問題，利用圖7進(jìn)行總結(jié)，有助于學(xué)生更好的理清典型數(shù)學(xué)模型之間關(guān)系，更好的完成后續(xù)課程的學(xué)習(xí)。

5結(jié)束語

本文以例證、專題教學(xué)、課程討論等教學(xué)方法開展了自控課程開閉環(huán)、誤差傳遞函數(shù)，系統(tǒng)類型，典型數(shù)學(xué)模型之間轉(zhuǎn)換關(guān)系三個易混淆關(guān)鍵問題課程教學(xué)。經(jīng)過實踐表明，教學(xué)效果良好，學(xué)生不僅對三個易混淆關(guān)鍵問題進(jìn)一步加深了印象，理清了課程知識主線。同時，也在一定程度上增強(qiáng)了學(xué)習(xí)興趣，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]胡壽松.自動控制原理基礎(chǔ)教程(第四版)[M].北京:科學(xué)出版社,2019.

[2]劉宏業(yè),楊暉,陳曉榮,等.基于“工程教育認(rèn)證”理念的自動控制原理教學(xué)模式改革探索[J].教育教學(xué)論壇,2020(27):234-235.

[3]趙月容,史麗萍.“自動控制原理”課程思政建設(shè)的實踐與探索[J].黑龍江教育(理論與實踐),2019(12):5-6.

[4]施建中.自動控制系統(tǒng)仿真在《現(xiàn)代控制理論》教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].中國電力教育,2019(6):61-62.

[5]王立紅.模塊化教學(xué)在自動控制理論實驗中的應(yīng)用[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版),2018,20(6):126-128.

作者：田軍南 嚴(yán)運彩 單位：廣西科技師范學(xué)院 來賓市衛(wèi)生學(xué)校