“自動(dòng)控制原理”課程案例式教學(xué)方法探索

林旭梅

(青島理工大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院， 山東 青島 266520)

“自動(dòng)控制原理”課程案例式教學(xué)方法探索

林旭梅

(青島理工大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院， 山東 青島 266520)

本文針對(duì)“自動(dòng)控制原理”課程內(nèi)容偏向理論、學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高等問(wèn)題，在一系列教學(xué)改革措施的基礎(chǔ)上提出案例式教學(xué)方案。方案中以電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺為研究對(duì)象，將倒立擺數(shù)學(xué)建模和PID控制算法應(yīng)用到簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)的分析中。本文通過(guò)對(duì)這一案例的分析表明了案例式教學(xué)方法有助于學(xué)生深刻理解自動(dòng)控制理論，能夠?qū)⒄n程理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

自動(dòng)控制原理；教學(xué)改革；案例式教學(xué)；旋轉(zhuǎn)倒立擺

0 引言

“自動(dòng)控制原理”課程是高校自動(dòng)化工程、電氣工程及自動(dòng)化和測(cè)控專(zhuān)業(yè)學(xué)生必修的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課[1]。在當(dāng)今科技信息飛速發(fā)展的時(shí)代，自動(dòng)化技術(shù)地位日臻凸顯，“自動(dòng)控制原理”作為自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的核心課程其作用之大毋庸置疑[2]。

“自動(dòng)控制原理”課程的主要特點(diǎn)是理論性很強(qiáng),概念較多,計(jì)算量較大。目前，如何提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，加強(qiáng)課程的建設(shè)與改革成為教學(xué)工作者需研究的首要問(wèn)題。

隨著大學(xué)教育改革推進(jìn)，大學(xué)課程的課時(shí)數(shù)在縮減，為了讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)掌握“自動(dòng)控制原理”課程的基本內(nèi)容與原理，并將學(xué)到的理論知識(shí)用于分析和解決工程問(wèn)題。這就要求本課程必須的教學(xué)改革不單單是教學(xué)手段和教學(xué)方法的改革，也不單單是提高教師的授課水平和質(zhì)量，還要提高和利用好與本課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 目前存在的主要問(wèn)題

在“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)中常見(jiàn)的問(wèn)題有以下幾個(gè)方面[3]：

(1)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性不高，不能主動(dòng)將精力投入到本課程的學(xué)習(xí)中，缺乏興趣，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就是缺少主動(dòng)學(xué)習(xí)的動(dòng)力；

(2)本課程側(cè)重理論教學(xué)和數(shù)學(xué)模型的建立與分析，內(nèi)容比較抽象，相關(guān)理論知識(shí)比較枯燥且難以理解；

(3)學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中把握學(xué)習(xí)重點(diǎn)、知識(shí)系統(tǒng)性能力較弱；

(4)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中主動(dòng)提出問(wèn)題、綜合分析問(wèn)題、親自解決問(wèn)題的能力有限；

(5)學(xué)生不能將課程中的理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用中遇到的問(wèn)題緊密結(jié)合，將理論知識(shí)熟練靈活地應(yīng)用到解決實(shí)際問(wèn)題中去。

(6)很多高校雖然具備一定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，但大多是以簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備滿(mǎn)足課程教學(xué)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，缺乏實(shí)際的案例，尤其是系統(tǒng)級(jí)的案例。

教學(xué)中存在這些問(wèn)題，致使有些學(xué)生在學(xué)習(xí)完這門(mén)課程后，還不知道自動(dòng)控制理論應(yīng)用于什么場(chǎng)合，能解決什么問(wèn)題，更談不上分析和解決實(shí)際問(wèn)題了。

2 教學(xué)改革措施

針對(duì)上述的“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)中存在的主要問(wèn)題，我們結(jié)合多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，把案例式教學(xué)引入并貫穿于本課程整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，即：緊跟信息時(shí)代發(fā)展前沿，提高課程的先進(jìn)性；重視理論知識(shí)的學(xué)以致用，提高課程的應(yīng)用性；著重培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的能力，提高課程的應(yīng)用與實(shí)踐性；加大具體案例與課程中的分析方法、理論知識(shí)的結(jié)合，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力體現(xiàn)課程的行業(yè)性[4]。

具體的實(shí)施策略為：①以學(xué)術(shù)探討和科學(xué)研究促進(jìn)教學(xué)，開(kāi)拓學(xué)生的視野。教師在教學(xué)過(guò)程中，除了教授本課程的知識(shí)，還可以將自己在學(xué)術(shù)研究上的成果與本課程的教學(xué)相結(jié)合，使科研與教學(xué)緊密相連，有利于學(xué)生對(duì)本課程的前沿知識(shí)的了解及對(duì)本課程知識(shí)點(diǎn)的理解；②以實(shí)踐為中心促進(jìn)教學(xué)，加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手操作與分析問(wèn)題解決問(wèn)題能力的培養(yǎng)。本課程的實(shí)踐內(nèi)容包括：以驗(yàn)證某個(gè)定理或理論知識(shí)正確性為目的的實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，還有相關(guān)的課程設(shè)計(jì)以及課外探討研究性試驗(yàn)等；③以實(shí)際案例項(xiàng)目促進(jìn)教學(xué)，強(qiáng)調(diào)工程背景的重要性與關(guān)鍵性。例如聯(lián)系全國(guó)大學(xué)生電子科技競(jìng)賽等方面的實(shí)際案例，結(jié)合本課程的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，以適當(dāng)?shù)姆绞角度氲秸n程教學(xué)中，加強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)；④以激發(fā)學(xué)生的興趣為目標(biāo)推動(dòng)教學(xué)，在滿(mǎn)足學(xué)生的個(gè)性需求的基礎(chǔ)上不斷培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。滿(mǎn)足學(xué)生的興趣愛(ài)好來(lái)帶動(dòng)教學(xué)，會(huì)達(dá)到事半功倍的效果。教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的興趣點(diǎn)和教學(xué)理論知識(shí)框架，通過(guò)分層次、多層次的教學(xué)方法來(lái)完成對(duì)本課程知識(shí)的講解與傳授。

3 案例式教學(xué)方法

在“自動(dòng)控制原理”課程的傳授與講解中，我們一再?gòu)?qiáng)調(diào)案例式教學(xué)方法的必要性與重要性。一方面能夠加強(qiáng)學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的深入理解，另一方面也能夠使學(xué)生對(duì)實(shí)際工程產(chǎn)生興趣，提高對(duì)本課程的深入認(rèn)知[5，6]。一直以來(lái)，倒立擺控制系統(tǒng)在“自動(dòng)控制原理”教學(xué)中得到廣泛傳授，因?yàn)樗诤狭俗詣?dòng)控制領(lǐng)域以及物理、數(shù)學(xué)等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的多種技術(shù)，它的被控對(duì)象具有多變量、高階次、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)[7]。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)的控制，數(shù)學(xué)模型的建立是研究的第一步。建模過(guò)程中要對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行受力分析。這部分知識(shí)學(xué)生可以根據(jù)所學(xué)的物理知識(shí)或查閱資料文獻(xiàn)自行研究，得出系統(tǒng)傳遞函數(shù)。模型建立后，運(yùn)用 Matlab仿真軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行Simulink仿真。學(xué)生需要通過(guò)不斷修改PID控制算法參數(shù)，使仿真的系統(tǒng)性能指標(biāo)符合要求，再將該P(yáng)ID控制參數(shù)應(yīng)用于實(shí)際，并根據(jù)實(shí)際控制效果適當(dāng)調(diào)整PID參數(shù)，使相關(guān)性能指標(biāo)滿(mǎn)足要求。

作為案例式教學(xué)方法應(yīng)用的一個(gè)案例，本文以2013年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)技競(jìng)賽題目——簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺為例，采用PID控制算法等與“自動(dòng)控制原理”相關(guān)的理論知識(shí)對(duì)旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)的分析與仿真，學(xué)生能夠?qū)ψ詣?dòng)控制理論中的建模、PID控制算法有更深入的認(rèn)識(shí)，理解比例(P)的快速調(diào)節(jié)作用、積分 (I)消除余差以及微分(D)提前遏制誤差變化趨勢(shì)作用。

首先，要求動(dòng)手設(shè)計(jì)制作一個(gè)簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺模型。將一電動(dòng)機(jī)固定在支架上，另有一旋轉(zhuǎn)臂通過(guò)轉(zhuǎn)軸與支架相連，旋轉(zhuǎn)臂的一端安裝另一轉(zhuǎn)軸，擺桿通過(guò)轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)臂相連。簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺結(jié)構(gòu)示意圖

針對(duì)這一案例的具體要求，確定系統(tǒng)的方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)方案框圖

方案主要包括以下幾個(gè)模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制模塊、旋臂和擺桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)、角度檢測(cè)模塊以及機(jī)械模塊。系統(tǒng)角度傳感器測(cè)量擺桿的擺動(dòng)角度并將采集的角度數(shù)值反饋給控制器，控制器根據(jù)接收的數(shù)值進(jìn)行姿態(tài)計(jì)算，選取合適的控制量對(duì)電機(jī)控制，控制旋臂的轉(zhuǎn)角和方向，使擺桿獲得理想的擺動(dòng)角度。

圖3為簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)的采樣控制流程圖。本系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)用閉環(huán)控制，經(jīng)過(guò)PID參數(shù)調(diào)整，使擺桿達(dá)到期望要求的狀態(tài)。

圖3 系統(tǒng)采樣控制流程圖

圖4 簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺模型分析

簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)模型分析示意圖如圖4所示。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]得到如下公式：

(1)

式(1)中J1為旋臂繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，J2為擺桿繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，m1為旋臂質(zhì)量，m2為旋臂長(zhǎng)度，R1為旋臂長(zhǎng)度，R2為擺桿長(zhǎng)度，L1為旋臂質(zhì)心到轉(zhuǎn)軸距離，L2為擺桿質(zhì)心到轉(zhuǎn)軸距離,θ1為旋臂位置，θ2為擺桿位置，f1為旋臂繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩系數(shù)，f2為擺桿繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩系數(shù)，Km為電機(jī)力矩-電壓比，Ke為電機(jī)反電勢(shì)-轉(zhuǎn)速比。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的機(jī)理建模后可以得到較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算和分析可以得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。根據(jù)所得傳遞函數(shù)，在Matlab應(yīng)用軟件中運(yùn)用Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真與分析。簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)θ2的仿真模型見(jiàn)圖5。

圖5 簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)的仿真模型

第一步建立好系統(tǒng)仿真模型，下一步工作是對(duì)倒立擺控制系統(tǒng)的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和整定。圖5中，“PID Controller”為封裝后的PID控制器，用于設(shè)置和修改PID控制參數(shù)Kp、Ki和Kd；“Transfer Fcn”是擺桿的擺動(dòng)角度和懸臂加速度之間的傳遞函數(shù)；通過(guò)“Scope1”可以顯示在不同參數(shù)下相應(yīng)的仿真結(jié)果圖。在只有P控制時(shí)，將Kp、Ki、Kd分別設(shè)置為40,0,0時(shí)得到的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 Kp=40,Ki=0,Kd=0時(shí)的仿真結(jié)果圖

從圖6中可以看出，控制曲線(xiàn)是振蕩不收斂的。為了減小或消除系統(tǒng)的振蕩，增加微分控制環(huán)節(jié)，將Kp、Ki、Kd分別設(shè)置為40,0,1時(shí)得到的系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 Kp=40,Ki=0,Kd=1時(shí)仿真結(jié)果圖

由圖7可知，當(dāng)Kp=40,Ki=0,Kd=1時(shí)，閉環(huán)控制系統(tǒng)依然存在振蕩現(xiàn)象，為更好的消除系統(tǒng)的振蕩，在Kp=40的基礎(chǔ)上增大微分系數(shù)Kd，Kd=10時(shí)系統(tǒng)仿真結(jié)果圖如圖8所示。

圖8 Kp=40,Ki=0,Kd=10時(shí)系統(tǒng)仿真結(jié)果圖

由圖8可得，系統(tǒng)雖能較快達(dá)到平衡狀態(tài)，但是存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差。為了提高系統(tǒng)的無(wú)差度，消

除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，添加積分環(huán)節(jié)Ki，令Kp=40,Ki=35,Kd=10，得到系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 Kp=40,Ki=35,Kd=10系統(tǒng)仿真結(jié)果圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺系統(tǒng)模型的建立及PID控制下的仿真試驗(yàn)，學(xué)生不僅對(duì)倒立擺的二階系統(tǒng)有了了解，對(duì)PID不同環(huán)節(jié)的作用有了更深體會(huì)，還對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的建模技術(shù)、閉環(huán)控制、系統(tǒng)校正等相關(guān)知識(shí)有了深入的理解。簡(jiǎn)易旋轉(zhuǎn)倒立擺的案例證明，將案例式教學(xué)方法應(yīng)用于“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)中，使學(xué)生對(duì)“自動(dòng)控制原理”相關(guān)知識(shí)具有深刻的認(rèn)知和體會(huì)，讓學(xué)生深入掌握課程核重點(diǎn)難點(diǎn)，進(jìn)而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

[1] 唐超穎,姜斌. “自動(dòng)控制原理”課程的探究性教學(xué)實(shí)踐[J]. 南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(06):91-93.

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The Exploring of Case Teaching Method in Automatic Control Principle Course

LIN Xu-mei

(SchoolofAutomation,QingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao266520,China)

According to the questions which lay particular stress on theory and student′s learning enthusiasm is lower for Automatic Control Principle course. The case teaching method is proposed based on series of measures of the teaching reform. By using a simple rotary inverted pendulum in electronic design competition as the research object, mathematic modeling of inverted pendulum and the PID control are applied to the analysis of a simple rotary inverted pendulum system. By the control of a simple rotary inverted pendulum system shows that the case teaching method is helpful for students to deep understanding the theory of automatic control and to be able to combine the theory of curriculum knowledge with practical application, which improve students' learning interest.

principle of automatic control ; teaching reform ; case teaching method; rotational inverted pendulum

2016-08-07;

2016-12- 29

林旭梅(1970-)女，博士，教授，主要從事自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)教學(xué)與科研工作，E-mail:lxm-ll@163.com

G642.0

A

1008-0686(2017)04-0116-04