項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)在“自動(dòng)控制理論”課程中的應(yīng)用

李傳江 袁秀平

摘 要：文章以實(shí)例論述了項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)模式在“自動(dòng)控制理論”課程中的探索和應(yīng)用。通過項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)實(shí)現(xiàn)授課理論與實(shí)踐的有效結(jié)合，幫助學(xué)生透徹理解反饋控制思想和PID控制的原理，提高學(xué)生分析和解決問題的實(shí)踐能力，并有利于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)；自動(dòng)控制理論；轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2018）06-0031-02

高校理工科專業(yè)的教學(xué)模式一般以教師授課為主，在理論結(jié)合實(shí)際應(yīng)用和創(chuàng)新能力培養(yǎng)上相對(duì)薄弱一些，作為學(xué)生一般是被動(dòng)地接受知識(shí)，對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，往往依賴學(xué)生自身的理解能力和所下功夫，特別是理論性相對(duì)較強(qiáng)的學(xué)科，如果授課模式相對(duì)單一，所舉案例又與實(shí)際應(yīng)用存在一定差距，就會(huì)加大學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解難度，出現(xiàn)缺乏學(xué)習(xí)興趣的情況，會(huì)影響到教學(xué)質(zhì)量，造成學(xué)生在基礎(chǔ)學(xué)科上掌握不夠牢固，還會(huì)影響到后續(xù)學(xué)科的學(xué)習(xí)，甚至衍變成應(yīng)試教育[1]。專業(yè)基礎(chǔ)課不僅僅是專業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，它與工程實(shí)踐應(yīng)用也結(jié)合得較為緊密，如果能夠在教學(xué)中實(shí)現(xiàn)與實(shí)際應(yīng)用的有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣，加深理解，就會(huì)產(chǎn)生更好的教學(xué)效果[2]。針對(duì)這種情況，筆者在“自動(dòng)控制理論”課程中嘗試開展了“項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)”模式的探索和實(shí)踐，把它作為傳統(tǒng)課堂授課的有機(jī)補(bǔ)充，通過兩年多的摸索、研究和實(shí)踐，取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果。

一、項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)綜述

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)相對(duì)于傳統(tǒng)課堂授課模式，是一種行為引導(dǎo)式的教學(xué)方式[3]。在教學(xué)過程中，教師針對(duì)所教授的課程內(nèi)容，選取合適的項(xiàng)目或案例作為教學(xué)載體和教學(xué)主軸，把學(xué)生所需掌握的知識(shí)點(diǎn)融入到項(xiàng)目的各個(gè)環(huán)節(jié)中，組織學(xué)生成為項(xiàng)目的實(shí)施主體，授課教師總體把控和引導(dǎo)項(xiàng)目的開展，并圍繞項(xiàng)目開展實(shí)施教學(xué)活動(dòng)。學(xué)生參與項(xiàng)目分析、方案制定、軟硬件設(shè)計(jì)、調(diào)試試驗(yàn)的整個(gè)過程，這樣就可以在課堂教學(xué)中將理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程也不再是被動(dòng)接受，而是需要積極參與。為了完成既定目標(biāo)，在項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生需要開動(dòng)腦筋發(fā)現(xiàn)問題，并找出解決問題的思路和方法，在項(xiàng)目進(jìn)展過程中，熟悉和掌握項(xiàng)目中所蘊(yùn)含的各種知識(shí)點(diǎn)，并且能夠讓學(xué)生體驗(yàn)到成功解決問題后的成就感，對(duì)提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性有著正面的促進(jìn)作用。在提高學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的同時(shí)，也培養(yǎng)和增強(qiáng)了學(xué)生行動(dòng)自信力和團(tuán)隊(duì)合作精神[4]。

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)有別于傳統(tǒng)課堂授課教學(xué)模式，有著相對(duì)生動(dòng)靈活、不拘多樣的特點(diǎn)，教師可以針對(duì)課程內(nèi)容及知識(shí)構(gòu)成特點(diǎn)，靈活機(jī)動(dòng)地選取適宜項(xiàng)目或案例開展教學(xué)活動(dòng)，與課堂的理論授課有機(jī)融合施教，并通過教學(xué)實(shí)踐逐步積累、修訂和完善，并最終納入學(xué)科教學(xué)大綱中。

二、“自動(dòng)控制理論”課程項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法實(shí)例應(yīng)用

“自動(dòng)控制原理”課程主要教授控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，包括控制系統(tǒng)建模、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能以及控制系統(tǒng)校正與設(shè)計(jì)等。通過本課程的學(xué)習(xí)，主要使學(xué)生了解并掌握分析和設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本理論知識(shí)和方法，并能夠較熟悉使用Matlab等軟件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真與計(jì)算，為后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

（一）項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)目標(biāo)

“自動(dòng)控制原理”是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)必修課，其理論性知識(shí)點(diǎn)較多，且概念較抽象，但該課程實(shí)際上與工程應(yīng)用聯(lián)系較為緊密，且是后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)的一門重要基礎(chǔ)科目。多年來，該課程一般采用“課堂教授+驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)方法[5]，學(xué)生即使掌握了本課程要求的基本概念、基本數(shù)據(jù)等，也較難將課堂所講的理論知識(shí)與工程實(shí)際相聯(lián)系，缺乏用控制理論來解決實(shí)際問題的應(yīng)用。

基于以上情況，選擇“自動(dòng)控制原理”課程來實(shí)施項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式的探索和實(shí)踐。針對(duì)“自動(dòng)控制原理”課程中的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立、控制系統(tǒng)的校正與設(shè)計(jì)等方面的重要知識(shí)點(diǎn)，選取一個(gè)或多個(gè)合適項(xiàng)目或案

例，通過系統(tǒng)分析、軟硬件設(shè)計(jì)、Matlab軟件仿真等，使學(xué)生更好地掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，將學(xué)生分成幾個(gè)項(xiàng)目小組同步開展，并推選項(xiàng)目小組長負(fù)責(zé)本小組課題活動(dòng)。學(xué)生可通過查找文獻(xiàn)、上網(wǎng)搜索等不同的方式來搜集相關(guān)資料，教師對(duì)重要知識(shí)點(diǎn)和關(guān)鍵過程進(jìn)行講解和引導(dǎo)，并

隨時(shí)掌握各小組的進(jìn)展情況。

（二）項(xiàng)目概要及要求

針對(duì)“自動(dòng)控制原理”課程教學(xué)目標(biāo)，在此以“車輪轉(zhuǎn)向PID控制系統(tǒng)”為例，簡要介紹項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法。

車輪轉(zhuǎn)向控制在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，由于其具有工況復(fù)雜、參數(shù)多變、運(yùn)行慣性大、控制滯后等特點(diǎn)，它對(duì)控制調(diào)節(jié)器要求較高。因此該項(xiàng)目能體現(xiàn)自動(dòng)控制理論的教學(xué)目標(biāo)，并提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力和綜合素質(zhì)。

為了達(dá)到好的轉(zhuǎn)向效果，應(yīng)對(duì)電機(jī)有一個(gè)良好的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)方式。轉(zhuǎn)向給定值由人工設(shè)定，控制器根據(jù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角的變化自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)向。為此結(jié)合控制要求，設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)確定為：

1.電機(jī)步進(jìn)角為1.5度，轉(zhuǎn)角都保持在[-90°，+90°]變化。

2.空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向超調(diào)量n≤10%。

3.根據(jù)不同的路況能自

動(dòng)調(diào)整目標(biāo)轉(zhuǎn)向。

（三）項(xiàng)目總體分析及控制器方案確定

對(duì)車輪轉(zhuǎn)向PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行分析，建立系統(tǒng)組成控制框圖，確定系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，并確定PID控制器方案。通過本部分的實(shí)施，可以培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)分析和PID控制器設(shè)計(jì)能力。

教師引導(dǎo)學(xué)生，對(duì)車輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，建立驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制框圖，如圖1所示。整個(gè)控制系統(tǒng)為Arduino作為控制處理器；通過電位器檢測轉(zhuǎn)向角，電位器信號(hào)通過A/D進(jìn)入處理器，與設(shè)定的目標(biāo)值比較得到誤差；誤差作為輸入經(jīng)過數(shù)字PID運(yùn)算得到控制量，該控制量通過D/A輸出給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)向，從而達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值。

為了使學(xué)生更加直觀地了解控制系統(tǒng)的組成和原理，控制系統(tǒng)采用簡單易學(xué)的Arduino實(shí)現(xiàn)，學(xué)生可以在較短時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)的搭建。

圖1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制框圖

（四）項(xiàng)目軟硬件設(shè)計(jì)

確定系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)后，接下來設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件和硬件部分。每個(gè)項(xiàng)目小組按照項(xiàng)目的內(nèi)容和成員的特長進(jìn)行分工，明確每個(gè)成員的職責(zé)和任務(wù)。硬件電路的設(shè)計(jì)主要有：1.電氣電路的設(shè)計(jì)，主要完成主電路和驅(qū)動(dòng)控制器；2.轉(zhuǎn)角測量電路設(shè)計(jì)，選擇電位器將檢測反饋回的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；3.轉(zhuǎn)向PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制；4.電源管理設(shè)計(jì)，主要完成向Arduino控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊提供控制電壓。根據(jù)以上組成部分的特點(diǎn)及要求，結(jié)合學(xué)生對(duì)系統(tǒng)的理解程度，畫出相應(yīng)的電路圖，最后把各部分的硬件電路整合起來。

車輪轉(zhuǎn)向PID控制系統(tǒng)采用Arduino進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)向控制，數(shù)字PID調(diào)節(jié)器等直接用程序?qū)崿F(xiàn)控制，這些環(huán)節(jié)可以由不同的學(xué)生獨(dú)立編程完成。各環(huán)節(jié)程序完成后，再設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主程序和中斷程序，這部分內(nèi)容由大家集體完成。

（五）項(xiàng)目調(diào)試、仿真及運(yùn)行

對(duì)車輪轉(zhuǎn)向PID控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，并通過Matlab軟件建模進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到優(yōu)化PID控制器參數(shù)，最后進(jìn)行在線運(yùn)行控制。通過本部分的實(shí)施，培養(yǎng)了學(xué)生數(shù)學(xué)模型建立、Matlab仿真和系統(tǒng)調(diào)試的能力。

1.系統(tǒng)調(diào)試。系統(tǒng)硬件裝配完之后，先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行硬件調(diào)試，接下來進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，在調(diào)試過程中，不僅要檢查硬件問題，還要檢查軟件問題。在檢查硬件沒有問題后，再結(jié)合硬件修改軟件程序，逐步檢查問題，直到調(diào)試出結(jié)果。這個(gè)過程需要小組成員的協(xié)作，共同完成。

2.建模及仿真。系統(tǒng)調(diào)試成功后，對(duì)車輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)施加不同的輸入控制信號(hào)，可得到轉(zhuǎn)向的輸出信號(hào)，從而對(duì)車輪進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立，得到控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)。根據(jù)得到的傳遞函數(shù)，運(yùn)用Matlab仿真軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到PID控制器的參數(shù)。

圖2是PID參數(shù)設(shè)定后運(yùn)行性能比較，電位器轉(zhuǎn)向角度數(shù)據(jù)的仿真實(shí)驗(yàn)，T=0.5S，KP=0.7，Ti=600s，Td=0.1S時(shí)，控制效果比較好。

3.運(yùn)行及校驗(yàn)。在程序中給定車輪的期望轉(zhuǎn)向角

度，將仿真結(jié)果得到的PID控制器參數(shù)寫入程序中，在線對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。通過觀察Arduino監(jiān)視器的車輪轉(zhuǎn)向結(jié)果，確定控制的效果是否達(dá)到要求。如果沒有達(dá)到，或者性能指標(biāo)不好，分析原因，并找出解決方法。

（六）項(xiàng)目總結(jié)研討及答疑講解

各小組完成項(xiàng)目后要提交總結(jié)報(bào)告，授課教師組織各小組全體學(xué)生開展本次項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)的總結(jié)研討活動(dòng)，活動(dòng)內(nèi)容主要包括：各小組代表做項(xiàng)目匯報(bào)及項(xiàng)目成果展示；各小組總結(jié)項(xiàng)目實(shí)施過程中遇到的關(guān)鍵問題及解決方案；授課教師針對(duì)疑難問題、知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)和講解；教師學(xué)生一起對(duì)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式進(jìn)行共同研討，提出改進(jìn)意見及建議；授課老師對(duì)本次項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行總結(jié)等。

三、結(jié)語

作為課堂教學(xué)的有機(jī)補(bǔ)充，從項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)在“自動(dòng)控制理論”課程中的試點(diǎn)實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果來看，可有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，增

強(qiáng)理論與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合的體驗(yàn)，有利于加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生項(xiàng)目組織、團(tuán)隊(duì)協(xié)作及工程實(shí)踐能力。

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