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主题:自动控制论文写作 时间:2024-02-10

自动控制原理课程中稳定裕度的教学方法,本文是有关自动控制大学毕业论文范文跟自动控制原理和教学方法和课程方面电大毕业论文范文.

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摘 要本文以“自动控制原理”课程中“稳定裕度”这个知识点为例,研究了该课程的教学方法.首先分析了“自动控制原理”课程的重要性及课程内容与特点,重点根据“稳定裕度”这个知识点的教学目标及目前教学中存在的问题,探讨了与工程实际和科学研究相结合的教学方法.由教学实践证实,本文提出的教学方法提高了学生的学习主动性,拓展了学生思维,进一步加深了学生对该知识点的理解和掌握,为后续课程学习及应用奠定了坚实的理论基础.

关键词自动控制原理稳定裕度教学方法

1 引言

“自动控制原理”是面向自动化类专业开设的一门重要的专业基础课,也是自动化专业所属一级学科控制科学与工程学科的核心理论支撑,该课程以传递函数为基础,以反馈控制理论为核心,主要在有关自动控制系统的基本概念、建立控制系统数学模型的基础上,讲授经典控制论的三大分析方法:时域分析法、根轨迹法和频域分析法,研究单输入单输出自动控制系统的分析和设计问题[1-3].研究的内容具有普遍性,对工程实践具有重要的指导意义.

学习该课程的主要目的是培养学生对线性定常、单输入单输出闭环控制系统的综合分析能力以及运用反馈控制原理解决工程实际中的相关问题的能力[4-9],使学生对系统的认识上升到更高的层次,为后续学习奠定坚实的理论基础.

学习自动控制原理,要求学生首先具备电路原理、模拟电子技术、信号与系统等课程的基础知识,通过该课程的学习,使学生能够在理解有关自动控制系统的基本概念、建立控制系统数学模型的基础上,掌握并灵活运用时域法、根轨迹法和频率法经典控制理论的三大分析方法进行系统分析的思路,明确三种方法各自的特点及其内在联系.基本掌握运用频率法进行控制系统串联校正的设计方法.并且通过对离散系统的学习,理解离散系统的分析和校正方法.另外通过对非线性系统的学习,对非线性系统运动过程的特点有个基本的认识;最终通过本课程的学习,使学生能建立起经典控制理论的基本框架.

目前我校“自动控制原理”课程的教学过程中,一方面偏向抽象概念和基本理论,学生学习到的分析方法与工程实际结合不大,从而导致学生对知识点的掌握不深入,不全面.另一方面,当今社会,科学研究的进步导致知识快速更新,而课堂教学仍局限于教材中的例题进行知识的讲解,如果不在教学手段上寻求新的方法,那么将无法适应现在的社会需求.

本文以“稳定裕度”这个知识点的教学过程为例,进行了教学改革初探,旨在将理论知识与工程实际及科学研究结合起来,使学生由被动变主动,调动学生学习的积极性,激发学生的学习热情.

2 教学目标

稳定裕度,是描述控制系统相对稳定性的频域指标.一个稳定系统的稳定程度也影响系统的时域响应的性能,因此分析系统的稳定程度是频域分析法中一个重要知识点,而衡量系统稳定程度的指标就是稳定裕度.

通过课堂讲授这一知识点、问题思考及课后延伸等环节,使学生:

(1)理解掌握相角裕度和幅值裕度的概念;

(2)理解稳定裕度的应用,重点掌握利用相角裕度和幅

值裕度分析系统稳定程度及指导控制系统设计的方法.

3 教学方法

(1)通过工程实例引入知识点,激发学生的学习兴趣.

结合本校的石油化工行业背景,通过实际企业炼油装置因为外界压力变化失去控制引发火灾的新闻为生产实例,形象地说明一个稳定系统如果稳定程度不好,就会因为外界干扰等因素变为不稳定系统,从而引发生产事故;因此一个稳定系统的稳定程度同样影响系统的时域指标,所以有必要衡量一个系统的稳定程度.

(2)以图形化分析为主,从而得出相对稳定性的表征方法.

以一个具体的自动控制系统为例,其奈奎斯特曲线如图1 所示,根据奈奎斯特稳定判据,稳定系统的奈奎斯特曲线离稳定边缘越近,稳定程度就越差.通过以上分析,发现可以用奈奎斯特曲线对(-1,j0)点的靠近程度,来表征系统的相对稳定性,稳定裕度描述的就是奈奎斯特曲线对(-1,j0)点的靠近程度.这种度量常用相角裕度和幅值裕度来描述.

相角裕度代表了保持系统稳定的前提下,开环频率特性的相角允许增加的滞后角度.为了使最小相位系统稳定,相角裕度必须为正.

幅值裕度为保持系统稳定的前提下,开环频率特性的幅值允许增加到的倍数.为了使最小相位系统稳定,幅值裕度必须大于1.

通过对比图1 中不同奈奎斯特曲线位置下的相角裕度和幅值域度的大小,得出结论:相角裕度越大,幅值裕度越大,相对稳定性越好.

(3)将此知识点与时域分析法结合,通过MATLAB 仿真

得到不同稳定裕度指标下的单位阶跃响应曲线图,形象直观地观察系统相对稳定性的差异,使学生将时域分析与频域分析的前后知识点结合起来,加深概念的理解与应用.

(4)结合设计实例和学术文献,强调稳定裕度概念作为设计指标在系统设计中的应用.

通过实际设计例题启发学生课下思考,要使系统满足一定的稳定裕度指标,系统参数应如何选择.

结合较新的科学研究文献[10],以设计工业现场中应用广泛的PI 控制器为例,该文献以相角裕度和幅值裕度两个方面为设计准则,探求了一种可提高设计效率的PI 控制器的设计方法.通过该文献的简单分析,说明利用稳定裕度指标设计控制器参数的研究方法,并讲解稳定裕度在控制器设计中的应用.结合已学知识点,让学生了解最新的自动控制系统设计文献,并理解稳定裕度有哪些方面的应用.从而使学生接触了解到一些行业内的科学研究动态,激发学生进一步深入研究学习的积极性.

4 教学效果

通过在自动化专业“自动控制原理”的教学过程中试点,在本节知识点的教学过程中,教学效果有了一定的改善.

(1)本节内容以工程实例和图形化的教学方式为主体,

增强了学生的参与程度,提高了学生的学习兴趣,改善教学质量.

(2)更侧重学生应用能力的培养,通过科研文献,激发

起了学生的学习兴趣,通过适当引导思考、课堂讨论活跃了课堂气氛.

5 结语

本文以稳定裕度的概念及应用这一知识点为例,探究了自动控制原理课程教学方法的改革.为降低理解难度,激发学习兴趣,在进行这一知识点教学中,以生产实例引入知识点;剖析知识点的过程以极坐标图为基础贯穿始终,因此教学过程中采用了较多的图片、动画等多媒体手段,以直观、方便的图形化方法便于学生对知识点的理解、加深对知识点的掌握.最后通过学术文献,进行知识拓展,讲授将稳定裕度应用于控制器的设计中的一种方法,扩展了学生思维,激发了学生进一步深入学习的热情.

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