《自動控制原理實驗》課程標準

《自動控制原理實驗》課程標準第一部分前言一、課程基本信息課程編號課程名稱課程類別學時學分開課學期考核方式適用專業(yè)開課單位AL043080自動控制原理實驗實驗80.55實驗報告電氣工程及其自動化機電工程學院二、課程性質(zhì)自動控制原理是控制類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課，屬于技術學科。他研究的主要對象是自動控制系統(tǒng)，研究的中心問題是自動控制的共同規(guī)律及基本內(nèi)容是教學模型、系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設計，它是自動化技術的基礎理論。具有很強的理論性、系統(tǒng)性和抽象性，而且有很強的應用背景。它既是一門技術學科，更重要的是具有普適性的方法論。學生僅進行理論學習有一定的難度，開設實驗課使學生對自動控制和系統(tǒng)具有感性的認知，加深對控制原理的理解，通過實驗初步掌握自動控制系統(tǒng)的構成和一般調(diào)試的方法和基本技能，培養(yǎng)學生運用理論進行系統(tǒng)分析，系統(tǒng)設計的思想方法和解決問題的能力，強化理論聯(lián)系實際促進和鞏固課程理論的學習。三、課程基本理念自動控制原理課程是電氣自動化相關專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課，通過實驗使學生進一步了解和掌握自動控制的基本概念，控制系統(tǒng)的分析方法和設計方法，學習和掌握模擬電路構成和測試技術，提高學生的實踐能力。自動控制原理實驗系統(tǒng)采用典型環(huán)節(jié)模塊化結構，可根據(jù)實驗要求選擇不同的參數(shù)與結構，可獨立支持自控原理的實驗教學實驗，還可擴展計算機控制技術實驗。主動承擔自動控制理論的課內(nèi)理論驗證實驗、綜合性實驗以及課程設計、畢業(yè)設計、創(chuàng)新項目實驗等實踐教學。四、課程的設計思路通過行為導向的項目式教學，加強學生實驗技能的培養(yǎng)，培養(yǎng)學生的綜合職業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)；獨立學習及獲取新知識、新技能、新方法的能力；與人交往、溝通及合作等方面的態(tài)度和能力。第二部分課程目標一、總體目標電機與拖動實驗課是《電機與拖動》和其相近課程的重要組成部分，本實驗講義只側重于掌握實驗方法，并運用課堂上學到的電機理論知識來分析研究實驗中的各種問題，得出必要的結論，從而達到培養(yǎng)學生在電機拖動這門學科中具備分析問題和解決問題的初步能力。二、具體目標1.知識與方法通過實施實驗教學使學生進一步了解和掌握自動控制理論的基本概念，控制系統(tǒng)的分析設計方法，學習和掌握分析設計控制系統(tǒng)的各種仿真方法，提高應用計算機的能力和水平，進行實驗技能的基本訓練提高學生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的學風和科學研究的初步訓練。。自動控制原理實驗課的目的在于培養(yǎng)學生掌握基本的實驗方法與操作技能。培養(yǎng)學生學會根據(jù)實驗目的擬定實驗線路，選擇所需儀表，確定實驗步驟，測取所需數(shù)據(jù)，進行分析研究，得出必要結論，從而完成實驗報告。在整個實驗過程中，必須集中精力，及時認真做好實驗。2.技能與能力通過本課程的學習，學生應達到下列要求：1）進一步鞏固和加深對《自動控制原理》基本知識的理解，同時鍛煉學生認真獨立完成任務的能力。2）通過實驗培養(yǎng)學生獨立思考問題、解決問題的能力。3）能正確使用儀器設備，掌握實驗原理、實驗步驟及操作規(guī)范。4）能獨立完成實驗報告準確處理實驗數(shù)據(jù)，正確繪制電路原理圖。3.情感與態(tài)度培養(yǎng)學生與同學、老師的溝通能力，培養(yǎng)學生的社會公德意識，培養(yǎng)學生敬崗愛業(yè)精神。第三部分內(nèi)容標準一、課程結構序號項目名稱實驗類型組織形式教學場地儀器設備學時分配備注1典型環(huán)節(jié)的時域響應驗證型實驗分組實驗實驗室自控實驗臺22典型系統(tǒng)時域響應和穩(wěn)定性分析綜合型實驗分組實驗實驗室自控實驗臺23線性系統(tǒng)的根軌跡分析驗證型實驗分組實驗實驗室自控實驗臺24線性系統(tǒng)的校正綜合型實驗分組實驗實驗室自控實驗臺2二、具體內(nèi)容和標準序號項目名稱主要內(nèi)容內(nèi)容標準教學建議與說明1典型環(huán)節(jié)的時域響應1）掌握各典型環(huán)節(jié)模擬電路的構成方法2）熟悉各種典型環(huán)節(jié)的理想階躍響應曲線和實際階躍響應曲線3）了解參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)的動態(tài)特性的響應通過實驗驗證輸入輸出曲線。加深對典型環(huán)節(jié)的認識和理解。2學時2典型系統(tǒng)時域響應和穩(wěn)定性分析1）研究二階系統(tǒng)的特征參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響2）研究二階系統(tǒng)的三種阻尼比下的階躍響應曲線及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3）熟悉勞斯判據(jù)，用勞斯判據(jù)對三階系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析。通過實驗對二階系統(tǒng)和三階系統(tǒng)，加強理解和認識。同時通過勞斯判據(jù)對三階系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析。2學時3線性系統(tǒng)的根軌跡分析1）掌握實驗方法繪制根軌跡圖2）掌握根據(jù)根軌跡圖分析系統(tǒng)的性能通過繪制根軌跡，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)性能及穩(wěn)態(tài)特性。2學時4線性系統(tǒng)的校正1）掌握系統(tǒng)串聯(lián)校正的方法，根據(jù)期望的時域性能指標確定2）二階系統(tǒng)的串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)通過試驗掌握串聯(lián)校正的方法2學時第四部分課程實施建議一、教學建議（一）課程組織形式實驗以小組為單位進行，每組由3人組成，推選一人負責組織全組的試驗工作。試驗課一般分課前預習、試驗和分析討論、書寫實驗報告三個階段，各個階段要求如下：1）課前預習要求在預習時仔細閱讀試驗指導書，復習教科書或教學參考書中有關章節(jié)或參考有關資料，明確試驗目的、任務，了解試驗基本原理以及試驗線路、方法、步驟；清楚實驗中要觀察哪些現(xiàn)象，記錄哪些數(shù)據(jù)和注意哪些事項。2）實驗（1）實驗必須在相應的理論課內(nèi)容講完后進行，實驗學生必須認真的預習實驗講義及所學的有關理論知識。（2）實驗課堂指導老師，利用20到30分鐘講授本實驗的內(nèi)容，所用器材及注意事項。（3）學生進行實驗，指導老師要認真指導。（4）寫完后，學生要及時的寫出實驗報告，并上交指導老師。完成全部規(guī)定的實驗項目，先對實驗數(shù)據(jù)進行初步檢查分析，看有無漏誤，然后交指導教師簽字后方可拆線。最后將儀表開關和導線整理好，按規(guī)定位置放好，搞好清潔衛(wèi)生工作方可離開實驗室。（二）教學模式、策略和方法自動控制原理實驗課的目的在于培養(yǎng)學生掌握基本的實驗方法與操作技能。培養(yǎng)學生學會根據(jù)實驗目的擬定實驗線路，選擇所需儀表，確定實驗步驟，測取所需數(shù)據(jù)，進行分析研究，得出必要結論，從而完成實驗報告。在整個實驗過程中，必須集中精力，及時認真做好實驗?，F(xiàn)按實驗過程提出下列基本要求。1.實驗前的準備 1）實驗前應復習教科書中有關章節(jié)，認真研讀實驗指導書，了解實驗目的、項目、方法與步驟，明確實驗過程中應注意的問題等。2）實驗前應寫好預習報告，經(jīng)指導教師檢查認為確實作好了實驗前的準備，方可開始作實驗。3）認真作好實驗前的準備工作，對于培養(yǎng)同學獨立工作能力，提高實驗質(zhì)量和保護實驗設備都是很重要的。2.實驗進行1）實驗的進行建立小組，合理分工每次實驗都以小組為單位進行，每組由3～4人組成，實驗進行中的接線、調(diào)節(jié)負載、保持電壓或電流、記錄數(shù)據(jù)等工作每人應有明確的分工，以保證實驗操作協(xié)調(diào)，記錄數(shù)據(jù)準確可靠。2）選擇組件和儀表實驗前先熟悉該次實驗所用的組件，記錄電機銘牌和選擇儀表量程，然后依次排列組件和儀表便于測取數(shù)據(jù)。3）測取數(shù)據(jù)預習時對電機的試驗方法及所測數(shù)據(jù)的大小作到心中有數(shù)。正式實驗時，根據(jù)實驗步驟逐次測取數(shù)據(jù)。4）認真負責，實驗有始有終實驗完畢，須將數(shù)據(jù)交指導教師審閱。經(jīng)指導教師認可后，才允許拆線并把實驗所用的組件、導線及儀器等物品整理好。3.實驗報告1）實驗報告是根據(jù)實測數(shù)據(jù)和在實驗中觀察和發(fā)現(xiàn)的問題，經(jīng)過自己分析研究或分析討論后寫出的心得體會。2）實驗報告要簡明扼要、字跡清楚、圖表整潔、結論明確。3）根據(jù)數(shù)據(jù)和曲線進行計算和分析，說明實驗結果與理論是否符合，可對某些問題提出一些自己的見解并最后寫出結論。實驗報告應寫在一定規(guī)格的報告紙上，保持整潔。每次實驗每人獨立完成一份報告，按時送交指導教師批閱。（三）教學媒體手段電機實驗室實驗臺，演示、講授，學生分組實驗（四）學生學習準備1.實驗前應復習教科書中有關章節(jié)，認真研讀實驗指導書，了解實驗目的、項目、方法與步驟，明確實驗過程中應注意的問題（有些內(nèi)容可到實驗室對照實驗預習，如熟悉組件的編號，使用及其規(guī)定值等），并按照實驗項目準備記錄抄表等。2.實驗前應寫好預習報告，經(jīng)指導教師檢查認為確實作好了實驗前的準備，方可開始作實驗。3.認真作好實驗前的準備工作，對于培養(yǎng)同學獨立工作能力，提高實驗質(zhì)量和保護實驗設備都是很重要的。二、實驗條件建議（一）教學時間設定每項實驗項目標準用時規(guī)定為2學時。（二）場地與環(huán)境要求自動控制原理課程實驗課在自動控制實驗室進行。（三）儀器、設備與設施1）實驗箱ACT-I2）實驗系統(tǒng)由上位PC微機（含實驗系統(tǒng)上位機軟件）、ACT-I實驗箱、USB2.0通訊線等組成。ACT-I實驗箱內(nèi)裝有以C8051F060芯片（含數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件）為核心構成的數(shù)據(jù)處理卡，通過USB口與PC微機連接。3）ACT-I控制理論實驗箱主要由電源部分U1單元、信號源部分U2單元、與PC機進行通訊的數(shù)據(jù)處理U3單元、元器件單元U4、非線性單元U5～U7以及模擬電路單元U8～U16等共16個單元組成，詳見附圖。電源單元U1包括電源開關、保險絲、＋5V、－5V、＋15V、－15V、0V以及1.3V～15V可調(diào)電壓的輸出，它們提供了實驗箱所需的所有工作電源。信號源單元U2可以產(chǎn)生頻率與幅值可調(diào)的周期方波信號、周期斜坡信號、周期拋物線信號以及正弦信號，并提供與周期階躍、斜坡、拋物線信號相配合的周期鎖零信號。該單元面板上配置的撥鍵S1和S2用于周期階躍、斜坡、拋物線信號的頻率段選擇，可有以下4種狀態(tài)：①S1和S2均下?lián)堋敵鲂盘栔芷诘恼{(diào)節(jié)范圍為2～60ms；②S1上撥、S2下?lián)堋敵鲂盘栔芷诘恼{(diào)節(jié)范圍為0.2～6s；③S1下?lián)?、S2上撥——輸出信號周期的調(diào)節(jié)范圍為20～600ms；④S1和S2均上撥——輸出信號周期的調(diào)節(jié)范圍為0.16～7s；另有電位器RP1用于以上頻率微調(diào)。電位器RP2、RP3和RP4依次分別用于周期階躍、斜坡與拋物線信號的幅值調(diào)節(jié)。在上述S1和S2的4種狀態(tài)下，階躍信號的幅值調(diào)節(jié)范圍均為0～14V；除第三種狀態(tài)外，其余3種狀態(tài)的斜坡信號和拋物線信號的幅值調(diào)節(jié)范圍均為0～15V；在第三種狀態(tài)時，斜坡信號的幅值調(diào)節(jié)范圍為0～10V，拋物線信號的幅值調(diào)節(jié)范圍為0～2.5V。信號單元面板上的撥鍵S3用于正弦信號的頻率段的選擇：當S3上撥時輸出頻率范圍為140Hz～14KHz；當S3下?lián)軙r輸出頻率范圍為2～160Hz。電位器RP5和RP6分別用于正弦信號的頻率微調(diào)和幅值調(diào)節(jié)，其幅值調(diào)節(jié)范圍為0-14V。數(shù)據(jù)處理單元U3內(nèi)含以C8051F060為核心組成的數(shù)據(jù)處理卡（含軟件），通過USB口與上位PC進行通訊。內(nèi)部包含八路A/D采集輸入通道和兩路D/A輸出通道。與上位機一起使用時，可同時使用其中兩個輸入和兩個輸出通道。結合上位機軟件，用以實現(xiàn)虛擬示波器、測試信號發(fā)生器以及數(shù)字控制器功能。元器件單元U4單元提供了實驗所需的電容、電阻與電位器，另提供插接電路供放置自己選定大小的元器件。非線性環(huán)節(jié)單元U5、U6和U7U5，U6，U7分別用于構成不同的典型非線性環(huán)節(jié)。單元U5可通過撥鍵S4選擇具有死區(qū)特性或間隙特性的非線性環(huán)節(jié)模擬電路。單元U6為具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié)模擬電路。單元U7為具有飽和特性的非線性環(huán)節(jié)模擬電路。模擬電路單元U8～U16U8～U16為由運算放大器與電阻，電容等器件組成的模擬電路單元。其中U8為倒相電路，實驗時通常用作反號器。U9～U16的每個單元內(nèi)，都有用場效應管組成的鎖零電路和運放調(diào)零電位器。2．系統(tǒng)上位機軟件的功能與使用方法，詳見《ACT-I自動控制理論實驗上位機程序使用說明書》。（四）耗材選用Φ5RT10-3A、3A熔斷器。（五）安全保障與注意事項1）人身安全要求切實遵守實驗室的各項安全操作規(guī)程。以確保實驗過程中的安全。實驗過程中應注意以下幾點：（1）不擅自接通電源；（2）不觸及帶電部分，遵守“先接線后合電源，先斷電源后拆線’購操作程序。（3）不得帶電操作，以防發(fā)生觸電事故。上實驗課時不得赤腳或穿拖鞋，最好穿膠隔鞋。2）注意事項。1．實驗前U9～U16單元內(nèi)的運放需要調(diào)零。2．運算放大器邊上的鎖零點G接線要正確。不需要鎖零時（運放構成環(huán)節(jié)中不含電容或輸入信號為正弦波時），必須把G與-15V相連；在需要鎖零時，必須與其輸入信號同步的鎖零信號相連。如在采用PC產(chǎn)生的經(jīng)D/A通道輸出的信號O1作為該環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的輸入時，運放的鎖零信號G應連U3單元的G1（對應O1）；類似地，如采用PC產(chǎn)生的信號O2作輸入，則鎖零信號G應連U3單元的G2（對應O2）。鎖零主要用于對電容充電后需要放電的場合，一般不需要鎖零。3．在設計和連接被控對象或系統(tǒng)的模擬電路時，要特別注意，實驗箱上的運放都是反相輸入的，因此對于整個系統(tǒng)以及反饋的正負引出點是否正確都需要仔細考慮，必要時接入反號器。4．作頻率特性實驗和采樣控制實驗時，必須注意只用到其中1路A/D輸入和1路D/A輸出,具體采用“I1～I8”5．上位機軟件提供線性系統(tǒng)軟件仿真功能。在作軟件仿真時，無論是一個環(huán)節(jié)、或是幾個環(huán)節(jié)組成的被控對象、或是閉環(huán)系統(tǒng)，在利用上位機界面作實驗時，都必須將開環(huán)或閉環(huán)的傳遞函數(shù)都轉(zhuǎn)化成下面形式，以便填入?yún)?shù)ai,bj其中，。如出現(xiàn)的情況，軟件仿真就會出錯，必須設法避免。如實驗一，在作理想比例微分（PD）環(huán)節(jié)的軟件仿真實驗時就會遇到此問題，因為此時可見該W(s)分子中s的階高于分母的，直接填入?yún)?shù)仿真，即出現(xiàn)“非法操作”的提示。具體避免方法請參閱該實驗附錄。6．受數(shù)據(jù)處理單元U3的數(shù)據(jù)處理速率限制，作頻率特性實驗和采樣控制實驗時，在上位機界面上操作“實驗參數(shù)設置”必須注意頻率點和采樣控制頻率的選擇。對于頻率特性實驗，應滿足ω<200/sec，以免引起過大誤差。類似地，對于采樣控制實驗，采樣控制周期應不小于5ms。7．本采集設備的上位機軟件，A/D和D/A輸出部分，需要注意的一些事項。本數(shù)據(jù)