基于便攜式倒立擺的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革初探

潘俊濤+韋海成+張白+肖明霞

摘 要 圍繞北方民族大學(xué)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，針對當(dāng)前以知識教學(xué)為基礎(chǔ)構(gòu)建的自動(dòng)控制原理實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的脫離工程實(shí)踐、實(shí)踐場地受限等問題，采用基于問題學(xué)習(xí)教學(xué)方法，以便攜式倒立擺為實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)，圍繞其數(shù)學(xué)建模、系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)及控制實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)。新的課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般過程為步驟，貼近工程實(shí)際，不僅激發(fā)了學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)熱情，更鍛煉培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐動(dòng)手能力，強(qiáng)化了學(xué)生的工程素質(zhì)。該實(shí)踐教學(xué)方法具有較好的可操作性，實(shí)踐教學(xué)效果良好。

關(guān)鍵詞 便攜式倒立擺；自動(dòng)控制原理；基于問題學(xué)習(xí)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）24-0145-03

Practical Teaching Reform for Automatic Control Principle based on Portable Inverted Pendulum//PAN Juntao， WEI Hai-cheng， ZHANG Bai， XIAO Mingxia

Abstract Focusing on the cultivation of applied talent， this paper presents a new experimental teaching reform method for the course

of automatic control principle which aiming at solving the problem that theory disengages practice. The reform scheme is proposed based

on portable inverted pendulum which close to the actual situation. Problem-based Learning is adopted to motivate students initiative enthusiasm of study. Meanwhile， the innovative thinking as well as

practical skill is improved during the execution of reformation. The

proposed method is workable which yields excellent teaching results.

Key words portable inverted pendulum； automatic control principle； problem-based learning； experimental teaching

1 引言

2016年6月，中國正式成為《華盛頓協(xié)議》中的一員，這標(biāo)志著中國的工程教育正式走上國際舞臺(tái)。與此同時(shí)，中國工程教育專業(yè)認(rèn)證也成為我國高等教育的重要內(nèi)容之一。我國各高等院校，特別是以技術(shù)應(yīng)用型人才為培養(yǎng)目標(biāo)的高等院校，都把對學(xué)生的工程素質(zhì)培養(yǎng)列為后期工科專業(yè)建設(shè)的核心內(nèi)容[1-4]。工程素質(zhì)[5]是指從事工程實(shí)踐需具備的能力，是面向工程實(shí)踐活動(dòng)時(shí)所具備的潛能和適應(yīng)性，包括專業(yè)理論知識、實(shí)踐技能及情感意識等多個(gè)方面。其中，實(shí)踐技能的培養(yǎng)是工程素質(zhì)內(nèi)涵的關(guān)鍵所在。相比于課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)將課程理論知識與實(shí)際相結(jié)合，不僅有效地提升了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，更鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新思維意識，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐技能的重要手段。

自動(dòng)控制原理課程是我國高校自動(dòng)化專業(yè)及其相關(guān)專業(yè)的一門重要專業(yè)課程。為培養(yǎng)高質(zhì)量且適應(yīng)社會(huì)需求的自動(dòng)化技術(shù)人才，北方民族大學(xué)圍繞服務(wù)少數(shù)民族地區(qū)發(fā)展的辦學(xué)宗旨，在新一輪的自動(dòng)化專業(yè)本科人才培養(yǎng)方案修訂工作中將自動(dòng)控制原理課程列為專業(yè)核心課之一，并相應(yīng)地增加了課程學(xué)時(shí)數(shù)，強(qiáng)調(diào)其在專業(yè)課程體系中的重要地位。

然而，自動(dòng)控制原理課程是一門理論性較強(qiáng)的專業(yè)課程，其內(nèi)容抽象，難以理解，且其教學(xué)內(nèi)容中大量穿插復(fù)雜的公式和煩瑣的證明。從現(xiàn)有教學(xué)調(diào)查結(jié)果看，相當(dāng)一部分學(xué)生因?yàn)榛A(chǔ)薄弱，對這門課程很難建立學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果可想而知。有鑒于此，為拉近理論知識與工程實(shí)踐的距離，營造學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，強(qiáng)化學(xué)生的工程素養(yǎng)，在課程教學(xué)過程中引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，希望以此來方便學(xué)生對各種復(fù)雜控制概念的理解。但是受實(shí)驗(yàn)場地和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，這些實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)也僅僅停留在“搭建簡易模擬電路，通過仿真看曲線”上，不僅無法讓學(xué)生對“控制”建立一種直觀理解，更無法讓學(xué)生感受工程控制現(xiàn)場效果，不利于學(xué)生實(shí)踐技能的培養(yǎng)。課程學(xué)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生往往感覺學(xué)無所用，一定程度上影響了培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論知識解決實(shí)際問題的能力，同時(shí)有悖于國家“工程教育認(rèn)證”的發(fā)展趨勢。

因此，如何在現(xiàn)有教學(xué)條件下改善自動(dòng)控制原理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，建立控制理論概念和控制工程實(shí)踐之間的聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐素質(zhì)，是北方民族大學(xué)培養(yǎng)高質(zhì)量自動(dòng)控制技術(shù)人才過程中亟待解決的主要問題之一。

倒立擺系統(tǒng)是自動(dòng)控制技術(shù)研究領(lǐng)域中最為常見的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之一，實(shí)際工程中的很多控制問題，如運(yùn)載火箭的垂直發(fā)射控制、衛(wèi)星姿態(tài)控制、兩足機(jī)器人平衡控制等，均可抽象為倒立擺的穩(wěn)擺控制問題?？紤]到倒立擺系統(tǒng)本質(zhì)為一類強(qiáng)耦合、多變量、不穩(wěn)定的復(fù)雜高階非線性系統(tǒng)，因此，其同時(shí)也是驗(yàn)證各種控制算法是否有效的理想平臺(tái)。為此，本文以自動(dòng)控制原理課程為背景，依托深圳元?jiǎng)?chuàng)新科技有限公司開發(fā)的便攜式倒立擺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對當(dāng)前課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的問題，引入基于問題學(xué)習(xí)（即PBL，Problem-based Learning）教學(xué)理念，提出一種新的基于便攜式倒立擺的自動(dòng)控制原理PBL實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方法。該方法不僅有效提升了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和主動(dòng)創(chuàng)新思維意識，而且強(qiáng)化了學(xué)生的工程素養(yǎng)。endprint

2 便攜式倒立擺的結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

北方民族大學(xué)地處我國西部偏遠(yuǎn)地區(qū)，是隸屬于國家民族事務(wù)委員會(huì)的一所民族院校，在校生大部分為少數(shù)民族學(xué)生，基礎(chǔ)普遍薄弱。綜合考慮學(xué)校民族特色、辦學(xué)宗旨及自動(dòng)化學(xué)科建設(shè)需要，自動(dòng)化教研室組建智能感控創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，并在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下引入深圳元?jiǎng)?chuàng)新科技有限公司開發(fā)的便攜式倒立擺平臺(tái)，如圖1所示。該系統(tǒng)主要由擺桿、小車、便攜支架、導(dǎo)軌、直流伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置、電源、數(shù)據(jù)采集卡組成，所有組成部件均置于實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)。其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

便攜式倒立擺利用數(shù)據(jù)采集卡采集旋轉(zhuǎn)編碼器數(shù)據(jù)和電機(jī)尾部編碼器數(shù)據(jù)，旋轉(zhuǎn)編碼器與擺桿同軸，電機(jī)與小車通過皮帶連接，所以通過計(jì)算就可以得到擺桿的角位移以及小車位移，角位移差分可得角速度，位移差分可得速度，然后根據(jù)自動(dòng)控制理論中的控制器設(shè)計(jì)算法計(jì)算出控制量。控制量由計(jì)算機(jī)通過USB數(shù)據(jù)線下發(fā)給伺服驅(qū)動(dòng)器，由驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對電機(jī)控制，電機(jī)尾部編碼器連接到驅(qū)動(dòng)器形成閉環(huán)，從而可以實(shí)現(xiàn)擺桿直立不倒以及自擺起。

不同于傳統(tǒng)倒立擺實(shí)驗(yàn)設(shè)備，便攜式倒立擺具有如下特點(diǎn)及優(yōu)勢。

1）便攜性。便攜式倒立擺的便攜性打破了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)場地的空間約束，從而將“實(shí)踐”教學(xué)環(huán)節(jié)擴(kuò)展到課程的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，克服傳統(tǒng)教學(xué)中重理論輕實(shí)踐、知行分離的弊端。

2）USB通信接口。目前，筆記本電腦在大學(xué)生中已廣泛普及，因此，便攜式倒立擺特有的USB通信接口，可使學(xué)生非常方便地將自己的筆記本電腦與便攜式倒立擺進(jìn)行連接，從而讓“實(shí)驗(yàn)室”在學(xué)生中間流動(dòng)起來。這不僅最大限度提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，更激發(fā)了學(xué)生對自動(dòng)控制原理課程學(xué)習(xí)的興趣。

3）易維護(hù)。便攜式倒立擺系統(tǒng)的擺桿、小車、便攜支架、導(dǎo)軌、直流伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置、電源、數(shù)據(jù)采集卡等所有組成部件均置于實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，后期維護(hù)十分方便。

3 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

北方民族大學(xué)以往的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是以北京精儀達(dá)盛科技有限公司開發(fā)的EL-AT-III型實(shí)驗(yàn)箱為平臺(tái)開展的。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)以課程基礎(chǔ)知識為出發(fā)點(diǎn)，通過搭建模擬電路，分析電壓曲線，完成既定的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。如此實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容雖然能在加深課本知識的同時(shí)，一定程度上鍛煉學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，但遠(yuǎn)離工程實(shí)際，學(xué)生更是無法通過“曲線”去直觀感受現(xiàn)場控制效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生往往感覺學(xué)無所用，且有悖于中國工程教育專業(yè)認(rèn)證的新趨勢。

有鑒于此，本文放棄原有“搭電路，看曲線”的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，依托便攜式倒立擺平臺(tái)，采用PBL教學(xué)方法，以一般控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟為主線，重新設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

1）倒立擺的數(shù)學(xué)建模實(shí)驗(yàn)。被控對象的數(shù)學(xué)建模是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提。該實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生親歷實(shí)際被控對象的建模過程。實(shí)驗(yàn)首先讓學(xué)生自主查詢資料，了解倒立擺實(shí)驗(yàn)設(shè)備與具體控制問題間的關(guān)系；然后從倒立擺設(shè)備的電學(xué)、力學(xué)機(jī)理分析出發(fā)，熟悉倒立擺的物理特性，從而推導(dǎo)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并考慮實(shí)際情況，對模型進(jìn)行相應(yīng)簡化。

2）倒立擺的階躍響應(yīng)分析與可控性分析實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)旨在培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用課程知識的能力及對MATLAB進(jìn)行基本操作的能力。在MATLAB仿真平臺(tái)上建立系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分析仿真模型，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，從而對系統(tǒng)的性質(zhì)進(jìn)行定性、定量分析，了解系統(tǒng)固有特性。

3）運(yùn)動(dòng)控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)旨在加強(qiáng)學(xué)生對倒立擺系統(tǒng)硬件組成及其相關(guān)傳感器工作原理的認(rèn)識。通過該實(shí)驗(yàn)，建立課本知識與實(shí)際被控對象間的關(guān)系，并在這一過程中讓學(xué)生對實(shí)際控制對象有一定的初步認(rèn)識。

4）綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分別以自動(dòng)控制原理課程三個(gè)核心知識點(diǎn)為基礎(chǔ)，設(shè)置根軌跡校正實(shí)驗(yàn)、頻率響應(yīng)校正實(shí)驗(yàn)、PID校正實(shí)驗(yàn)，旨在培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用課程知識解決實(shí)際控制問題的能力，強(qiáng)化學(xué)生的工程意識和創(chuàng)新思維。

上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涵蓋了課程的核心知識內(nèi)容，并建立了與實(shí)際被控對象的聯(lián)系，綜合考查了學(xué)生運(yùn)用知識解決實(shí)際問題的能力和操作MATLAB仿真軟件的能力，達(dá)到實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)對學(xué)生工程素質(zhì)能力的培養(yǎng)要求。

4 總結(jié)

自動(dòng)控制原理課程是一門理論性較強(qiáng)的專業(yè)課程，涉及的知識內(nèi)容抽象，學(xué)生難以理解。為增強(qiáng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的效果，強(qiáng)化學(xué)生的工程素質(zhì)，本文依托便攜式倒立擺實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以一般實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟為主線，采用PBL教學(xué)方法，設(shè)計(jì)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案。新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案貼近工程實(shí)際，充分鍛煉了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法具有較好的可操作性，效果良好。

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