開閉環(huán)控制教學(xué)案例引入“自動(dòng)控制原理”的應(yīng)用與實(shí)踐

趙建偉　王洪燕　唐兵　李國晗

摘要：自動(dòng)控制原理這門課程不僅是自動(dòng)化專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，也是其他眾多專業(yè)的基礎(chǔ)理論課。開、閉環(huán)控制更是控制理論中必須掌握的基礎(chǔ)概念，基于控制原理這門課程實(shí)踐性強(qiáng)的突出特點(diǎn)，將開閉環(huán)控制設(shè)計(jì)成一個(gè)趣味性教學(xué)案例，并引入到自動(dòng)控制原理第二課堂的教學(xué)過程，通過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)仿真及實(shí)踐操作，讓學(xué)生不僅在實(shí)踐中學(xué)會(huì)這一理論，更培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。

關(guān)鍵詞：開閉環(huán)控制；教學(xué)案例；自動(dòng)控制原理；實(shí)驗(yàn)仿真；實(shí)踐

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）11-0141-02

一、引言

現(xiàn)如今，控制理論成為探索各種新技術(shù)、新領(lǐng)域的重要工具，而作為其重要的依托單元自動(dòng)控制原理這門課程，在學(xué)生的學(xué)習(xí)生活中也承擔(dān)了重要角色。自動(dòng)控制原理這門課程不僅是自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)必修課，也是其他眾多專業(yè)的基礎(chǔ)理論課，機(jī)械專業(yè)、測試與控制專業(yè)、電氣專業(yè)等許多學(xué)科目前都將其作為本專業(yè)重點(diǎn)學(xué)習(xí)課程[1]。

“自動(dòng)控制原理”課程的一個(gè)突出特點(diǎn)就是與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系緊密、實(shí)踐性強(qiáng)。機(jī)械、電氣專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)本課程時(shí)一般都經(jīng)過“理論實(shí)習(xí)”和“實(shí)踐實(shí)習(xí)”等教學(xué)環(huán)節(jié)，課堂學(xué)習(xí)往往停留在理論化、理想化甚至教條化的層面，對專業(yè)知識(shí)的理解很難深入和到位，要想把本課程的理論知識(shí)寓于實(shí)踐，必須開設(shè)相應(yīng)的第二課堂學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮教師的主觀能動(dòng)性，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)踐實(shí)際進(jìn)行操作。而案例教學(xué)是發(fā)揮教師主觀能動(dòng)性的一個(gè)主要途徑。

在此次教學(xué)的過程中引入開閉環(huán)控制系統(tǒng)研究實(shí)例結(jié)合進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)幫助同學(xué)更深入地學(xué)習(xí)控制原理這門課程，在這基礎(chǔ)上我們研制了開閉環(huán)控制智能車實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并開設(shè)了相關(guān)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)操作課，既有物理性模擬實(shí)驗(yàn)，又有數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)，通過模擬實(shí)驗(yàn)及仿真實(shí)驗(yàn)使學(xué)生從理論的感性認(rèn)識(shí)，升華至實(shí)踐操作的理性認(rèn)識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

二、設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)例實(shí)驗(yàn)步驟

（一）確定教學(xué)課題

如下圖所示為該智能車的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)展示，由機(jī)械模塊、電氣模塊和執(zhí)行模塊等部分組成[2]。助老服務(wù)智能車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（二）針對所研究課題提出問題

控制類：機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的控制技術(shù)。課題基礎(chǔ)：運(yùn)動(dòng)學(xué)，物理學(xué)，數(shù)學(xué)描述。引言：你知道智能助老服務(wù)車會(huì)如何穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的，除基礎(chǔ)的機(jī)械結(jié)構(gòu)外，它是如何利用開閉環(huán)控制理論實(shí)現(xiàn)智能車的控制的？

課題目標(biāo)：通過實(shí)驗(yàn)研究解決該助老智能車是如何利用開閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行工作的，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較開閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理區(qū)別及其它們的優(yōu)缺點(diǎn)。

（三）案例教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)

1.課題分組：根據(jù)課題情況對學(xué)生進(jìn)行分組，將學(xué)生分成4個(gè)獨(dú)立小組，其中兩組負(fù)責(zé)開環(huán)控制仿真實(shí)驗(yàn)，另外兩組負(fù)責(zé)閉環(huán)控制仿真實(shí)驗(yàn)，每個(gè)組大約有5人，由組長給每個(gè)組員分配任務(wù)，分配原則盡量使每個(gè)組員都有參與感，參與到該實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的全部過程中。組員對自己負(fù)責(zé)的任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃，寫一份簡短的報(bào)告，對自己的任務(wù)進(jìn)行一下認(rèn)識(shí)與總結(jié)，協(xié)助對方完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)。組長召開項(xiàng)目交流會(huì)，串聯(lián)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。

2.分工與合作：之前已經(jīng)對整個(gè)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了確定，現(xiàn)在將實(shí)驗(yàn)分成了開環(huán)實(shí)驗(yàn)與閉環(huán)實(shí)驗(yàn)組，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)有相同之處，所以4個(gè)小組進(jìn)行試驗(yàn)交流，對實(shí)驗(yàn)問題進(jìn)行分析，發(fā)表個(gè)人觀點(diǎn)。最后確定仿真實(shí)驗(yàn)步驟。

3.進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)：根據(jù)之前的課題要求，開閉環(huán)系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)例需要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對研究工作進(jìn)行驗(yàn)證。

三、展開課題實(shí)驗(yàn)研究

（一）開閉環(huán)系統(tǒng)框圖描述

上面我們已經(jīng)了解到智能車的基本結(jié)構(gòu)，在智能車工作時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊在主控制板的作用下直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，進(jìn)而對車的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，其不具備自動(dòng)修正的能力。因此開環(huán)實(shí)驗(yàn)組畫開環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下：

將智能車的開環(huán)控制驅(qū)動(dòng)板板用智能閉環(huán)驅(qū)動(dòng)模塊代替，直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速數(shù)值通過直流編碼器反饋給智能閉環(huán)驅(qū)動(dòng)板，形成閉環(huán)參與控制的控制方式。由此閉環(huán)實(shí)驗(yàn)組畫出閉環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下：

（二）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置及教學(xué)實(shí)驗(yàn)

需要對智能驅(qū)動(dòng)板的PID參數(shù)和梯形圖參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，利用LABVIEW編寫上位機(jī)，結(jié)合閉環(huán)驅(qū)動(dòng)板對PID參數(shù)和梯形圖參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對P，I，D三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使直流電機(jī)的運(yùn)行完全按照程序設(shè)定進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，最終使控制參數(shù)值達(dá)到最優(yōu)值[3]。

（三）歸納總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.開閉環(huán)工作原理：在開環(huán)控制中驅(qū)動(dòng)模塊在主控制板的作用下直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，進(jìn)而對車的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制；閉環(huán)控制中編碼器實(shí)時(shí)地測出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確地反饋給閉環(huán)驅(qū)動(dòng)板，系統(tǒng)通過反饋?zhàn)饔檬闺姍C(jī)的輸出轉(zhuǎn)速恢復(fù)到正常的期望值上。

2.開閉環(huán)控制轉(zhuǎn)速對比：但是開環(huán)的速度一直是恒定值，所以開環(huán)控制是通過計(jì)數(shù)車輪的轉(zhuǎn)數(shù)來計(jì)算輪速的；而閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)中的車輪速度的變化先加速中間勻速過渡最后減速，所以閉環(huán)控制是通過速度來計(jì)算行進(jìn)距離的。

3.開閉環(huán)控制的優(yōu)缺點(diǎn)：智能車在無反饋系統(tǒng)控制下，行進(jìn)距離遠(yuǎn)高于預(yù)設(shè)距離，而智能車在反饋系統(tǒng)控制下，行進(jìn)距離與預(yù)設(shè)距離相差不大，閉環(huán)控制誤明顯優(yōu)于開環(huán)設(shè)計(jì)；但是開環(huán)控制結(jié)果十分穩(wěn)定，所測的行進(jìn)距離誤差值在一個(gè)非常穩(wěn)定的范圍內(nèi)，這說明開環(huán)系統(tǒng)是非常穩(wěn)定的，但是控制精度遠(yuǎn)不如閉環(huán)控制。

四、加強(qiáng)案例實(shí)踐教學(xué)的必要性

（一）案例教學(xué)具有現(xiàn)實(shí)意義

控制原理作為專業(yè)基礎(chǔ)課，將其理論知識(shí)與實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)踐知識(shí)相結(jié)合是學(xué)好這門課程的關(guān)鍵。而如何將理論知識(shí)與實(shí)際實(shí)踐相結(jié)合對教師來說是一個(gè)難點(diǎn)。

在控制原理課程中引入“案例式”教學(xué)有其必要性和有效性。首先，案例教學(xué)是對現(xiàn)實(shí)問題的模擬與解答，這在控制原理教學(xué)中及其重要。現(xiàn)有教科書中的習(xí)題都是高度抽象好了的模型，而如何從現(xiàn)實(shí)問題中提煉出模型并解決問題恰恰是控制原理教學(xué)應(yīng)該重視的問題。實(shí)踐意識(shí)的培養(yǎng)和實(shí)踐素質(zhì)的提高，對學(xué)生今后的學(xué)習(xí)和工作都將受益無窮。

（二）教學(xué)案例成功與堅(jiān)持

學(xué)生如是說：開閉環(huán)控制的案例完成十分辛苦，不僅需要我們團(tuán)隊(duì)合作，更需要我們對實(shí)際操作能力的熟練把握，但是我們感到與枯燥的課堂相比，我們收獲知識(shí)的同時(shí)快樂并有成就感。

案例教學(xué)實(shí)現(xiàn)的難度很大，首先它不僅需要教師和學(xué)生的精誠合作，還需要反復(fù)的實(shí)踐交流和共同討論，現(xiàn)場實(shí)際操作，導(dǎo)致學(xué)生和老師在整個(gè)過程中產(chǎn)生惰性。但不否定，案例教學(xué)比純理論教學(xué)的確有不可比擬的優(yōu)勢，寓教于樂的實(shí)際實(shí)踐比枯燥乏味的純理論學(xué)習(xí)更加具有趣味性。

五、結(jié)語

如何使教師與學(xué)生之間充分溝通，如何使控制原理讓學(xué)生可以充分理解并應(yīng)用于實(shí)際，是所有教學(xué)工作中的一個(gè)難點(diǎn)。

由于案例教學(xué)實(shí)踐起來十分困難，不僅對于教師需要協(xié)調(diào)整個(gè)實(shí)踐過程，對于學(xué)生來說后期的準(zhǔn)備也是很麻煩的，所以案例教學(xué)的堅(jiān)持是案例教學(xué)得以延續(xù)的一個(gè)重點(diǎn)。學(xué)生和老師必須克服惰性，才能使學(xué)生真正的將控制原理乃至其他實(shí)踐性強(qiáng)的課學(xué)好學(xué)扎實(shí)[4]。

參考文獻(xiàn)：

[1]范興剛，徐新黎，王萬良.“自動(dòng)控制原理”國家精品資源共享課程建設(shè)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2014，（02）：17-26.

[2]李國晗，趙建偉，王洪燕，唐兵.基于復(fù)合濾波算法的服務(wù)機(jī)器人避障實(shí)驗(yàn)研究[J].2015，（2）：5.

[3]聶春燕，吉淑嬌.基于LabVIEW的《自動(dòng)控制原理》教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].長春大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，（08）：923-925.

[4]劉鳳春，陳希有，牟憲民.“電工技術(shù)”課程工程教學(xué)案例設(shè)計(jì)實(shí)例[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2013，（01）：25-28.