基于應(yīng)用型本科的運(yùn)動控制實(shí)踐教程探索

黃捷　陳春

摘 要 運(yùn)動控制是對機(jī)械運(yùn)動部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制管理，讓終端執(zhí)行器按照預(yù)期軌跡和規(guī)定運(yùn)動參數(shù)完成相應(yīng)動作。在運(yùn)動控制課程及配套的實(shí)踐教程編寫上，特別是適用于應(yīng)用型本科學(xué)生的教程，需要就通用性、實(shí)用性、預(yù)見性加以很好的規(guī)劃，使得學(xué)生在掌握各類控制對象的使用與設(shè)置后，對于運(yùn)動控制課程的學(xué)習(xí)、實(shí)踐開展及初步工程應(yīng)用等方面，能夠獨(dú)立解決實(shí)際問題。在介紹常見運(yùn)動控制實(shí)踐課程的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)生具體情況，詳細(xì)介紹了實(shí)踐課程的開設(shè)思路及規(guī)劃，對于學(xué)生課程結(jié)束后的期望，最終能夠達(dá)到的一個(gè)目標(biāo)，最后結(jié)合近幾年實(shí)踐的效果等進(jìn)行小結(jié)。

關(guān)鍵詞 應(yīng)用型本科 運(yùn)動控制 教程探索

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.09.022

Exploration of Motion Control Practice Course based on

Applied Undergraduate

HUANG Jie， CHEN Chun

（Sanjiang University， Nanjing， Jiangsu 210012）

Abstract Motion control is the real-time control and management of the position and speed of mechanical moving parts， so that the terminal executor can perform the corresponding actions according to the desired trajectory and the prescribed motion parameters. In the course of motion control and supporting the practice of the tutorial preparation， and is especially suitable for the application type undergraduate tutorial， need versatility， practicality and foresight to good planning， make the students master the use and set up all kinds of control objects， for study and practice of motion control curriculum development and preliminary engineering application， to solve the problems independently. Based on the introduction of common motion control practice teaching， combined with the specific conditions of the students， introduces the open plan and practice courses， courses for students after the end of expectations， eventually to a goal， finally summary in recent years with the effect of practice etc.

Keywords applied undergraduate colleges； motion control； tutorial exploration

0 引言

運(yùn)動控制課程具有綜合應(yīng)用性、工程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)：綜合了電氣、電子、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、控制理論等學(xué)科知識，工程應(yīng)用廣泛，涵蓋了國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。

應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，就是要以能力為中心，以培養(yǎng)技術(shù)應(yīng)用型專門人才為目標(biāo)的。我校重視學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)，突出實(shí)踐教學(xué)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)基地的建設(shè)，努力為地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展培養(yǎng)高素質(zhì)的應(yīng)用型人才。

“運(yùn)動控制”實(shí)踐課程，作為電氣及控制相關(guān)專業(yè)的必修課，教學(xué)計(jì)劃在大學(xué)三年級開始教授，作為理論的實(shí)踐者，除了掌握控制理論的基礎(chǔ)知識、控制系統(tǒng)的組成、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、整體系統(tǒng)調(diào)試等內(nèi)容都是結(jié)合實(shí)際情況完成的，在完成運(yùn)動控制實(shí)踐的內(nèi)容后，會對以后的學(xué)習(xí)、就業(yè)實(shí)踐及具體的工程應(yīng)用顯得尤為重要。

本文首先介紹實(shí)踐課程開展的基本系統(tǒng)組成，在此基礎(chǔ)上介紹課程開設(shè)的思路及規(guī)劃內(nèi)容，再由淺入深地介紹運(yùn)動控制是如何應(yīng)用在實(shí)際生活中的，對于特殊的工程應(yīng)用領(lǐng)域，如何分步驟開展項(xiàng)目，階段測試，最終聯(lián)調(diào)等內(nèi)容，最后進(jìn)行整體小結(jié)。

1 運(yùn)動控制實(shí)踐課的基本系統(tǒng)組成

X軸Y軸二維控制平臺，是最能體現(xiàn)現(xiàn)代運(yùn)動控制的對象，是許多機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成部分，在數(shù)控設(shè)備例如車、銑、鉆、激光切割等領(lǐng)域，都有所應(yīng)用。固高科技面向一線制造行業(yè)和高校開發(fā)的GXY系列X-Y工作平臺，采用工業(yè)化制造標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造，結(jié)合先進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì)思想，其產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于焊接、噴漆、點(diǎn)膠、沖孔、打包、剪切等領(lǐng)域，特別是各類數(shù)控及精密位置控制設(shè)備的研究開發(fā)，以及高校相關(guān)專業(yè)的機(jī)電傳動控制、計(jì)算機(jī)自動控制系統(tǒng)、機(jī)械控制工程以及數(shù)控加工技術(shù)等專業(yè)領(lǐng)域的研究與教學(xué)實(shí)踐。

1.1 X-Y平臺組成

一套完整的X-Y平臺系統(tǒng)主要由以下部分組成，見圖 1：

①控制對象，XY平臺機(jī)械本體；②電控柜；③計(jì)算機(jī)。

學(xué)生在計(jì)算機(jī)上通過平臺控制軟件，將要發(fā)送的指令通過機(jī)器代碼轉(zhuǎn)換，經(jīng)電控柜轉(zhuǎn)化為實(shí)際的控制信號，再進(jìn)過傳輸線路傳送給機(jī)械本體的具體執(zhí)行部件；反饋的信號由反饋元件采集，通過電控箱返回傳送回計(jì)算機(jī)，并通過軟件的算法轉(zhuǎn)化為PC機(jī)可視的數(shù)據(jù)、曲線、圖像等，在顯示終端上顯示出來。endprint

控制部分的內(nèi)容，采用基于計(jì)算機(jī)與DSP運(yùn)動控制器的開放式體系，主要由計(jì)算機(jī)、運(yùn)動控制板卡、電控箱、運(yùn)動控制器、執(zhí)行電機(jī)及相關(guān)軟件組成。

控制系統(tǒng)示意圖，如圖2所示。

圖2 X-Y平臺控制系統(tǒng)示意圖

1.2 運(yùn)動控制實(shí)踐規(guī)劃體系

在主要以運(yùn)動控制卡為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置，現(xiàn)代運(yùn)動控制實(shí)踐內(nèi)容規(guī)劃體系如圖3。

在以工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的平臺基礎(chǔ)上，我們可以在課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及相關(guān)工業(yè)控制項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，繼續(xù)發(fā)揮創(chuàng)新創(chuàng)造性思維，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際并緊密聯(lián)系生活，與教師及制造企業(yè)相互交流，在生產(chǎn)中就產(chǎn)生的相關(guān)問題付諸行動，采用國產(chǎn)設(shè)備，不斷拓展裝備制造業(yè)領(lǐng)域，提升我國的裝備制造業(yè)綜合水平。

2 運(yùn)動控制實(shí)踐課程的開設(shè)

專業(yè)課的開設(shè)如何適應(yīng)應(yīng)用型本科教育，如何在應(yīng)用上取得相應(yīng)的成績？結(jié)合學(xué)校提出的發(fā)展應(yīng)用型教育，培養(yǎng)應(yīng)用型人才，建設(shè)應(yīng)用型大學(xué)的辦學(xué)指導(dǎo)思想，高度重視并牢固樹立實(shí)踐教學(xué)在應(yīng)用型人才培養(yǎng)中的重要地位；強(qiáng)調(diào)樹立實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)并重，更重視實(shí)踐教學(xué)；能力提高與知識傳授并重，更重視能力的提高；素質(zhì)教育與專業(yè)培養(yǎng)并重，更重視素質(zhì)教育。

在三并重的教學(xué)工作思路引導(dǎo)下，實(shí)踐、應(yīng)用與創(chuàng)新的三結(jié)合教學(xué)思路，課程在開設(shè)的過程中，充分考慮要以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，課程的內(nèi)容在設(shè)置過程中，充分考慮了學(xué)生的層次及接受能力，分為四種類型的教程，因材施教分流培養(yǎng)，在傳授知識的同時(shí)，積極培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際及實(shí)踐動手能力，積極引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)創(chuàng)新意識，提升個(gè)人的綜合素質(zhì)，達(dá)到培養(yǎng)應(yīng)用型人才創(chuàng)新的目的。

2.1 課程設(shè)置內(nèi)容規(guī)劃

課程內(nèi)容在設(shè)置上，也考慮到要以培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力為核心，深化實(shí)踐教學(xué)和課程體系改革，構(gòu)建以能力培養(yǎng)為主線，分層次多模塊的實(shí)驗(yàn)體系，構(gòu)建基礎(chǔ)型、提高型、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目實(shí)踐型內(nèi)容四個(gè)層次；通過獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)、綜合訓(xùn)練與實(shí)習(xí)等多種形式不同學(xué)時(shí)的培養(yǎng)體系。

實(shí)踐內(nèi)容首先從認(rèn)知實(shí)驗(yàn)開始，結(jié)合從古至今案例，講解運(yùn)動控制是如何從無到有發(fā)展起來的，從地動儀到雷達(dá)控制，從火箭等航天器的運(yùn)行控制，到工業(yè)機(jī)器人的綜合應(yīng)用，結(jié)合掛圖、視頻等內(nèi)容，讓學(xué)生有一個(gè)初步的運(yùn)動控制概念。

再結(jié)合理論知識，把我們的測試平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、平臺組成、系統(tǒng)連線、基礎(chǔ)維護(hù)等內(nèi)容對學(xué)生展開初步講解，就工業(yè)級的控制器、運(yùn)動控制板卡、計(jì)算機(jī)等如何構(gòu)成一個(gè)基礎(chǔ)的系統(tǒng)，進(jìn)行由內(nèi)而外的分段講解，結(jié)合實(shí)物的電控單元、運(yùn)動控制部分、位置檢測及反饋機(jī)制、軟件對硬件的控制等，連貫講解透徹，讓學(xué)生能夠?qū)⒗碚撆c實(shí)踐對象結(jié)合起來。

第三步，將基本的器件進(jìn)行實(shí)物講解，例如聯(lián)軸器、絲杠、導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)、控制器、光柵尺、編碼器等，從不認(rèn)識到基本了解，再到基本掌握選型等內(nèi)容，在后續(xù)的實(shí)踐內(nèi)容中，學(xué)生還有專項(xiàng)訓(xùn)練。

緊接著進(jìn)行后續(xù)的再次認(rèn)知，對前期羅列出的內(nèi)容進(jìn)行鞏固記憶。同時(shí)演示直線倒立擺的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、四自由度工業(yè)機(jī)器人搬運(yùn)物體實(shí)驗(yàn)、磁懸浮鐵球控制實(shí)驗(yàn)。通過再講解，對這些例程中運(yùn)用到的知識反過來，從理論中尋找答案，這對激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣非常重要。

隨后的進(jìn)階內(nèi)容就此展開，實(shí)驗(yàn)平臺的初步調(diào)試、單軸PID控制對比、運(yùn)動控制之速度規(guī)劃、插補(bǔ)原理及實(shí)現(xiàn)方式對比測試、數(shù)控G代碼初步編程、反向間隙及電子齒輪控制、某類型變頻器控制、雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)測試。依次按照由淺入深的課程設(shè)置，完成相應(yīng)內(nèi)容。

在基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生對于系統(tǒng)平臺的操作、測試都有所掌握，緊接著就可以完成提高型實(shí)驗(yàn)。結(jié)合設(shè)計(jì)，將VB、VC機(jī)器語言介紹給學(xué)生，在有著基礎(chǔ)C語言課程學(xué)習(xí)的前提下，完成運(yùn)動控制板卡的基礎(chǔ)控制界面開發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)基本執(zhí)行器的簡單控制，同時(shí)，思考指令的調(diào)用、界面的合理開發(fā)、精度的控制等內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上，還可以完成單片機(jī)對于步進(jìn)電機(jī)的控制操作內(nèi)容，某定位模塊的初步聯(lián)調(diào)應(yīng)用，基于變頻器與可編程控制器的單閉環(huán)PID控制等有一定難度提高的內(nèi)容。

完成了提高型的內(nèi)容后，學(xué)生就可以結(jié)合自身的愛好及控制操作，試著完成運(yùn)動控制的創(chuàng)新型實(shí)踐內(nèi)容。例如運(yùn)動控制平臺的綜合VB開發(fā)及應(yīng)用，結(jié)合現(xiàn)有的平臺系統(tǒng)，將運(yùn)動控制器的性能、執(zhí)行電機(jī)的選型、兩者參數(shù)匹配、方案設(shè)計(jì)與實(shí)施、語言的運(yùn)用、動態(tài)鏈接庫的接入環(huán)境、系統(tǒng)開發(fā)及編程調(diào)試、綜合測試結(jié)果校驗(yàn)、最終的程序清單等。在此基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)行基于VC的運(yùn)動控制卡開發(fā)綜合應(yīng)用、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器設(shè)計(jì)與研究、基于現(xiàn)場總線的多電機(jī)同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

學(xué)生在前段時(shí)間的階段訓(xùn)練完成后，就可以嘗試開展項(xiàng)目實(shí)踐型的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。例如通過參觀實(shí)習(xí)，學(xué)生可以獨(dú)立完成某小區(qū)基于變頻器控制的恒壓供水系統(tǒng)改造、基于視覺引導(dǎo)的工業(yè)機(jī)器人抓取系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于運(yùn)動控制板卡的6-8軸終端執(zhí)行電機(jī)同步控制等。

2.2 課程設(shè)置內(nèi)容的完成情況

48學(xué)時(shí)的課程，在學(xué)時(shí)安排上，理論課程36學(xué)時(shí)，實(shí)踐課程12學(xué)時(shí)，僅有的十二課時(shí)，基本能夠完成基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容?；A(chǔ)型實(shí)驗(yàn)，重基礎(chǔ)知識的理解、掌握如何加以應(yīng)用，學(xué)生在基本方法和基本技能的掌握方面在本科教學(xué)評估測試中取得了較好的成績。

部分接受能力快的學(xué)生，可以完成提高型實(shí)踐內(nèi)容。提高型實(shí)驗(yàn)，包括提高性、綜合性、應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)等，重知識的融會貫通和自行設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)綜合與分析能力的提高，提倡開放式的自主實(shí)驗(yàn)，通過一些自行設(shè)計(jì)的鍛煉、動手制作一些有應(yīng)用價(jià)值和前景的作品。

通過以上不同層次實(shí)踐課程的開設(shè)及訓(xùn)練，學(xué)生可以充分理解何謂運(yùn)動控制，同時(shí)可以充分發(fā)揮個(gè)人的水平，很好地完成課內(nèi)實(shí)踐內(nèi)容。

以數(shù)控G代碼編程為例，在進(jìn)行這一類基礎(chǔ)課程實(shí)踐的過程中，結(jié)合所給案例細(xì)致講解，點(diǎn)的移動、位移的算法、圓的不同繪制方法、點(diǎn)線的過渡切換、平面直線與曲線的過渡算法等，對學(xué)生都是很好的鍛煉，前期的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)及不同的插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)內(nèi)容等，對數(shù)控代碼編程都是有促進(jìn)作用的。學(xué)生相互之間又會有必要的交流，學(xué)過數(shù)控的同學(xué)可以提出教師此前講解不夠?qū)I(yè)的問題，教師反過來引導(dǎo)學(xué)生，在完成實(shí)踐內(nèi)容過程中怎樣突出重點(diǎn)，相互學(xué)習(xí)共同進(jìn)步。每輪課程完成后，都會在報(bào)告中發(fā)現(xiàn)學(xué)生的優(yōu)秀作品，做好學(xué)生優(yōu)秀作品的收集工作，對于教程的豐富上，實(shí)時(shí)添加，促進(jìn)了學(xué)生對數(shù)控編程的學(xué)習(xí)和研究。endprint

2.3 課程設(shè)置創(chuàng)新內(nèi)容在畢業(yè)設(shè)計(jì)中的實(shí)施

創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，重在創(chuàng)新系統(tǒng)解決方案和自主提出問題、分析和解決問題。在基礎(chǔ)課程實(shí)踐以外，畢業(yè)設(shè)計(jì)是檢驗(yàn)學(xué)生掌握運(yùn)動控制課程內(nèi)容非常好的手段。

機(jī)器人控制是工業(yè)4.0的一個(gè)分支，對于機(jī)器人的控制原理，運(yùn)動軌跡規(guī)劃，精確的位置定位等問題，都需要學(xué)生花時(shí)間學(xué)習(xí)相關(guān)知識，但對于應(yīng)用型本科培養(yǎng)的畢業(yè)生來說，如何在短時(shí)間內(nèi)完成對象的綜合應(yīng)用，是重要問題。

例如學(xué)生在四自由度工業(yè)機(jī)器人控制過程中，提出如何不用示教軟件，完成工業(yè)控制對象的控制問題。在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，此學(xué)生就這個(gè)問題展開了畢業(yè)設(shè)計(jì)的相關(guān)工作，從學(xué)習(xí)VC語言入手，在語言環(huán)境中對基本控制界面進(jìn)行規(guī)劃，在學(xué)習(xí)運(yùn)動控制板卡使用時(shí)，對函數(shù)的調(diào)用、載入等問題深入研究，通過計(jì)算機(jī)與運(yùn)動控制板卡建立函數(shù)連接，到控制終端運(yùn)動控制器，再到執(zhí)行電機(jī)的控制漸進(jìn)式地完成了相應(yīng)內(nèi)容，學(xué)生在此基礎(chǔ)上收獲頗豐，也在對口單位找到了合適的機(jī)器人維護(hù)工作。

2.4 結(jié)合工程應(yīng)用綜合訓(xùn)練內(nèi)容添加

項(xiàng)目實(shí)踐型內(nèi)容，注重考驗(yàn)學(xué)生的綜合能力，結(jié)合實(shí)際工程案例，組建合適的團(tuán)隊(duì)，任務(wù)分配及團(tuán)隊(duì)的協(xié)作能力，都需要學(xué)生自己處理好。

此類實(shí)踐內(nèi)容在學(xué)生畢業(yè)后，學(xué)生在專業(yè)對口實(shí)習(xí)單位實(shí)習(xí)過程中，可以就單位所給的工程對象，結(jié)合課程所學(xué)內(nèi)容，發(fā)揮個(gè)人的特長組建團(tuán)隊(duì)，對實(shí)際案例進(jìn)行仿真后，通過建模，軟硬件組合，完成最終方案的確定等，一系列的問題解決都是對學(xué)生能力的考驗(yàn)，通過課程設(shè)置的實(shí)踐內(nèi)容鍛煉，此類的問題在工作中，基本是可以解決的。

此類問題對學(xué)生的要求提出更高的要求，所以，是建立在對運(yùn)動控制感興趣的學(xué)生，同時(shí)，學(xué)生今后的就業(yè)方向也是對應(yīng)的，這部分學(xué)生目的性很強(qiáng)，塑造性很強(qiáng)。

2.5 課程設(shè)置內(nèi)容反饋

在期中、期末的教學(xué)研討會上，全體學(xué)生在聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)上，會對教師進(jìn)行集體評教；學(xué)生代表會在學(xué)院的教學(xué)研討會中對任課老師進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)對課堂教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行積極的反饋，通過教學(xué)院長建立“學(xué)生—學(xué)校—教師—學(xué)生”這樣的反饋機(jī)制，可以很好地將課程改革進(jìn)行下去，促進(jìn)該課程的深入改革，對適用于應(yīng)用型本科的學(xué)生培養(yǎng)，可以起到很好的正反饋?zhàn)饔谩?/p>

3 結(jié)束語

在對學(xué)生開展啟發(fā)式、討論式教學(xué)，注重（下轉(zhuǎn)第100頁）（上接第50頁）對學(xué)生科學(xué)志愿、團(tuán)隊(duì)精神和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)過程中，對于應(yīng)用型本科學(xué)生培養(yǎng)提出了一定要求；同時(shí)倡導(dǎo)理論教師也能完成實(shí)驗(yàn)實(shí)踐內(nèi)容，學(xué)校也要重視雙師型師資的培養(yǎng)，使理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合起來；配套的實(shí)踐教程編寫，在基本框架不變的情況下，合理增加社會需求的實(shí)踐內(nèi)容，如何適應(yīng)市場需求，適應(yīng)一線用人單位需求，是我們必須要考慮的。通過近5年的課程教學(xué)，電氣專業(yè)及機(jī)械數(shù)控專業(yè)的學(xué)生，基本掌握了基礎(chǔ)型、提高型實(shí)踐內(nèi)容，創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)及項(xiàng)目實(shí)踐型內(nèi)容在現(xiàn)行的教學(xué)計(jì)劃中，只能充分利用課外時(shí)間加以實(shí)施，在此環(huán)境下，充分借鑒其他課程對于應(yīng)用型人才的培養(yǎng)模式，適時(shí)調(diào)整教程內(nèi)容安排，這樣才能培養(yǎng)出適應(yīng)于工礦企業(yè)的，能說、能做、能合作的應(yīng)用型人才。

基金項(xiàng)目：“十二五”期間省重點(diǎn)教材立項(xiàng)項(xiàng)目，獲省教育廳2015年高等學(xué)校重點(diǎn)教材（新編教材）立項(xiàng)（編號：2015-2-033）

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