自動化專業(yè)核心課柔性實驗平臺設計與實現(xiàn)

錢玉恒，楊亞非

自動化專業(yè)核心課柔性實驗平臺設計與實現(xiàn)

錢玉恒，楊亞非

（哈爾濱工業(yè)大學 飛行器控制實驗教學中心，黑龍江 哈爾濱 150001）

該文引入柔性化設計思想，研制了核心課實驗教學平臺，從電機多種變負載設計、Matlab工具引入、面包板環(huán)境構建，到外部接口設計、學生電機驅(qū)動器制作，使平臺具備了靈活的實驗更新能力、開放的外部拓展能力及豐富的控制算法資源。從學生反饋信息來看，加大“做和練”實驗內(nèi)容后，使問題式教學得到充分落實。該平臺深受學生好評，并獲2018全國高校教師自制設備創(chuàng)新大賽三等獎。

自動控制；實驗平臺；直流伺服電機；問題式教學

在學校創(chuàng)建雙一流大學教學改革思想指導下，控制科學與工程學科教學委員會經(jīng)過充分調(diào)研和醞釀，制定出本科自動化專業(yè)具有里程碑意義的課程改革方案[1-2]。主要目標是強化專業(yè)核心課程，完善課程之間的關聯(lián)度和整合度，解決實踐教學薄弱問題[3-4]。專業(yè)核心課建設是自動化專業(yè)課程教學改革的重點，核心課將注重控制理論與實踐的有機融合，將“自動控制原理”“現(xiàn)代控制理論”“自動控制元件與線路”“控制系統(tǒng)設計課程設計”“單片機”“計算機控制”和“控制系統(tǒng)設計”7門專業(yè)課融合成自動控制理論（簡稱理論課）和自動控制實踐（簡稱實踐課）2門核心課。

核心課面向全校選擇自動化課程的所有專業(yè)，課程縮減了理論部分，增添了實踐部分，實驗中加大“做和練”的力度，更注重實踐教學實效。實驗內(nèi)容密切結合課程知識要點，重視知識的連貫性，強調(diào)自動化專業(yè)知識與物理、機械等專業(yè)知識的交叉融合，全面提升學生專業(yè)實踐能力[5-6]。

為滿足設計性、創(chuàng)新性實驗對設備的需求，對實驗教學設備充實和改進，并研制了核心課柔性實驗平臺。

1 實驗教學背景

在課程改革前，實驗以支撐原理和熟悉操作技術為主，僅發(fā)揮著基礎性教學作用，依附于課程的實驗項目相互獨立，實驗關聯(lián)度偏弱，并具有下列典型特征[7]：

（1）驗證性、仿真性實驗偏多，設計性實驗不足，影響學生系統(tǒng)性、綜合性能力培養(yǎng)；

（2）實驗過程的“做和練”偏少，缺乏發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的歷煉，難以激發(fā)理論的深入思考；

（3）實驗設備功能單一，缺乏可擴展性，實驗項目很難更新或調(diào)整，不易激發(fā)學生求知興趣。

2 平臺設計與改革實現(xiàn)

2.1 平臺設計思想

平臺設計以課程改革為指導[8]，堅持懂理論、會設計和能實現(xiàn)的自動化專業(yè)人才能力培養(yǎng)方向，強調(diào)動手鍛煉和制作實現(xiàn)，并遵循以下設計思想：

（1）增加設計性實驗內(nèi)容，強調(diào)人才系統(tǒng)性和綜合性能力，展現(xiàn)理論教學與實踐教學相統(tǒng)一的一流人才培養(yǎng)模式；

（2）增添“做和練”實驗比例，強調(diào)制作過程和系統(tǒng)實現(xiàn)，確保問題式教學落到實處；

（3）注重平臺開放性設計，滿足實驗項目不斷更新需要，做到平臺資源共享，并能服務于多門課程；

（4）引入柔性化理念，重視軟件環(huán)境和實驗對象的靈活性、適應性設計，為個性化教學提供良好條件；

（5）強調(diào)產(chǎn)品化設計，考慮體積、安全及成本設計要素，盡可能節(jié)省教學資源。

這些思想旨在增加實驗內(nèi)容深度和實驗過程的實施難度，強化專業(yè)基本功鍛煉，培養(yǎng)學生掌握專業(yè)知識、了解科技前沿，鍛煉學生獨立科研能力和創(chuàng)新意識。

2.2 平臺研制

基于上述設計思想，平臺設計以實現(xiàn)實驗靈活性、開放性及綜合性為主線，構建學生自主實驗和動手鍛煉的實驗環(huán)境，適合核心課或其他課程大部分實驗。

平臺由計算機、控制卡、直流伺服電機、實驗箱（標準接口、面包板等）及外部被控對象（電子、機械對象）組成，該平臺結構框圖見圖1。

平臺主要支持核心課實驗教學外，還支持運動控制、最優(yōu)控制、智能控制等課程的實驗教學，體現(xiàn)平臺的綜合應用能力。平臺現(xiàn)有數(shù)量70臺套，學校16個專業(yè)的2500學生受益（自動化、計算機、電子信息等專業(yè)）。

圖1 柔性實驗平臺結構框圖

2.2.1 平臺軟件環(huán)境與控制卡

平臺選用Matlab軟件工具，因為Matlab具有強大的計算能力、豐富的控制模塊庫、圖示化編程模式，以及控制領域國際化應用趨勢。Matlab涵蓋連續(xù)、離散及非線性系統(tǒng)的各種分析與控制程序，便于開展復雜控制系統(tǒng)設計和控制算法研究，促進學生熟練掌握Matlab應用技能[9-10]。

Matlab通過控制卡標準接口與外部對象連接，控制卡軟件驅(qū)動由Simulink模塊庫承擔?？刂瓶üδ苤饕紤]控制的實時性和標準化接口性能，特別要關注Simulink程序運行周期、單點運動最小控制周期、AI和AO精度，以及軟件接口、數(shù)據(jù)傳輸性能指標，平臺選用的控制卡經(jīng)實際測試滿足實驗教學的各項指標。

Matlab和控制卡融合技術，可簡化控制算法編程和參數(shù)調(diào)整，實驗項目調(diào)整無需軟硬件二次開發(fā)，十分適合實驗項目的靈活調(diào)整或更新。

2.2.2 直流電機伺服對象設計

直流伺服電機（以下簡稱電機）是控制系統(tǒng)中普遍應用的控制對象，也是自動化專業(yè)必備的實驗項目。小負載電機實驗多數(shù)采用負載同軸剛性連接，不適合變負載實驗，使電機實驗簡單化，而且脫離實際應用[11]。

基于上述狀況，本平臺對電機采用柔性化設計，構造了雙電機皮帶傳動機械結構（圖2），電機通過皮帶連接機械負載，機械負載軸可配置多種負載盤組合實現(xiàn)機械變負載，機械負載軸再通過皮帶連接發(fā)電機，發(fā)電機電樞連接電阻實現(xiàn)電樞變負載。皮帶傳動設計了松緊度可調(diào)的變彈性功能，便于開展電機變彈性實驗。這種機械變負載、電樞變負載及皮帶變彈性功能設計，使電機實驗更具真實性、多樣性和靈活性。

圖2 直流伺服電機結構圖

2.2.3 平臺實驗箱設計和制作

控制類實驗箱種類很多，比較常見的是電子模擬機實驗箱[12]，這種實驗箱能應用電子器件模擬各種控制對象，但是因?qū)嶒炏涫懿僮髌骷?shù)量和軟件固化限制，難以展開復雜控制系統(tǒng)實驗，且實驗內(nèi)容很難實現(xiàn)靈活的軟件更新，此類實驗箱更適合基礎類的實驗，要達到強化 “做和練”的實驗要求仍需改進。

本平臺實驗箱設計需遵循靈活性、多樣性及開放性設計理念，重視操作方便和安全防護，注意外形尺寸、美觀及顏色，以及制作和維護成本。本實驗箱包括控制對象構建區(qū)（面包板組成）、模擬和數(shù)字I/O接線區(qū)、外部對象擴展連接區(qū)（外部對象）等（圖3）。

圖3 核心課實驗箱面板圖

應用實驗箱的標準化外部擴展接口，使平臺不僅能連接直流電機，還可以連接外部各種控制對象，如學生獨立制作的電子或機械作品，以及舵機、轉臺、機械臂等，克服了實驗對象的單一性，為培養(yǎng)學生制作能力提供了接入條件，方便按需設計實驗項目，符合開放式設計理念。

本平臺除能接入外部對象之外，還構建了面包板操作環(huán)境，學生在面包板上設計和搭建電路來模擬各種控制對象，易于模擬任意復雜的控制對象，拓寬實驗項目種類。面包板搭建電路實驗過程盡管比較費時，但能接觸到許多實用的專業(yè)知識，能體驗自主設計電路和動手制作過程，便于學生發(fā)現(xiàn)和解決問題，通過“做和練”的實驗過程，促進學生的想象力和創(chuàng)造力培養(yǎng)。

3 平臺實驗項目

3.1 理論課實驗項目

理論課實驗項目主要任務是培養(yǎng)學生掌握控制系統(tǒng)模型辨識、時域法、頻率法、狀態(tài)空間法的實驗能力，以及掌握連續(xù)、離散及非線性系統(tǒng)的綜合實驗能力。通過平臺對電子線路模擬控制對象的自主設計和制做，強化學生動手能力鍛煉；通過復雜控制系統(tǒng)實驗，讓學生熟悉自動控制系統(tǒng)理論和設計方法，加深學生對理論的理解。具體的實驗項目見表1。

表1 自動控制理論課實驗項目

理論課共設計8個實驗項目，每個實驗項目4學時，除頻域分析實驗項目采用電機實物對象外，其他項目都需要理論仿真、搭建電子模擬對象和系統(tǒng)設計，這些實驗均以實際對象為參考模型，充分體現(xiàn)工程理念，展示理論與實踐依存關系。

3.2 實踐課實驗項目

實踐課實驗項目要求學生深入理解自動控制元件的屬性，增強控制系統(tǒng)分析、設計及實現(xiàn)能力，以動手制做和系統(tǒng)實現(xiàn)為核心，重點關注創(chuàng)新意識和專業(yè)知識綜合運用能力培養(yǎng)。實踐課81%的實驗項目在平臺上完成，共6個實驗項目，具體實驗項目見表2。

表2 自動控制實踐課實驗項目

實踐課的前4個實驗（32學時），要求學生自主設計電路，獨立在印刷電路裸板上焊接器件，并完成參數(shù)調(diào)試，實現(xiàn)對直流電機的雙向驅(qū)動旋轉以及電機特性測試，最終制成電機驅(qū)動器作品。學生通過作品制作，提升了電路設計、制作及調(diào)試能力。

實踐課的后2個實驗（18學時），學生將自己的電機驅(qū)動器作品接入實驗箱外部擴展接口，完成平臺Matlab環(huán)境下的直流電機控制實驗。學生作品在平臺上展開實驗，將會獲得較大的成就感，提升學生實驗積極性，為直流電機擾動、諧振及系統(tǒng)實驗提供有利條件。

3.3 運動控制課實驗項目

運動控制課主要以直流電機、交流電機控制為主，利用本平臺的電機控制條件，在平臺上開設了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)實驗和三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)實驗。

運動控制實驗教學發(fā)揮了平臺的拓展功能，擴大了平臺的綜合應用效率，達到了實驗設備優(yōu)化應用的設計目標。

4 平臺實驗教學效果及作用

4.1 理論課實驗教學效果

在理論課實驗中，學生對Matlab理論仿真部分都能較好完成；對在面包板上搭建模擬電子對象普遍故障較多，反映出學生動手能力偏弱；對系統(tǒng)設計中的參數(shù)調(diào)試都比較生疏，表現(xiàn)出學生缺乏實踐鍛煉。隨著實驗項目的由淺入深和逐步展開，學生動手制作電子對象和系統(tǒng)控制參數(shù)調(diào)試能力明顯提升，做和練的教學效果突顯。

在學生問卷調(diào)查中，學生普遍認為盡管自己搭建電路實驗難度加大，但動手能力鍛煉效果好，特別是采用電子線路模擬控制對象，受電子線路器件性能差異影響，其模擬控制對象模型與理論對象模型存在較大差異，為系統(tǒng)設計和參數(shù)調(diào)試增添了許多不確定因素，強化了理論聯(lián)系實際的重要性認識，增強了系統(tǒng)設計綜合能力。學生評價說：這樣的實驗既鍛煉了動手能力，也使我們懂得了理論的落腳之處，充實了我們的工程素養(yǎng)。

4.2 實踐課實驗教學效果

在實踐課實驗中，學生獨立設計和制作直流電機驅(qū)動器是對學生能力的考驗，教師在實驗過程中的講解，更能加深學生的理論理解。學生經(jīng)過電路設計和制作的技術細節(jié)（電路原理、器件選取、焊接實現(xiàn)、功能調(diào)試等），強化學生制作控制系統(tǒng)能力。采用自己作品完成后續(xù)實驗更考驗學生的制作功夫，讓學生不僅會設計和能制作，還會使用，使他們掌握真本事。

從學生反饋中可知，學生感到制作驅(qū)動器難度較大，電路設計、器件布局及焊接質(zhì)量都會影響驅(qū)動器性能和實驗結果。每個學生都遇到了各種制作問題，通過問題的逐個解決，學生收獲頗豐，增強了實踐能力，為后續(xù)的平臺系統(tǒng)化實驗打下了基礎。盡管學生實驗過程快慢不同，最終學生都完成了全部實驗，經(jīng)過這種工程磨礪實驗教學，學生系統(tǒng)實現(xiàn)能力快速提升。正如學生所說：這是上大學以來做過的最鍛煉動手能力的實驗，而不是紙上談兵。

4.3 平臺的教學作用

平臺為自動化專業(yè)核心課實踐教學提供了良好的實驗設備，支撐了核心課大多數(shù)實驗項目；靈活的軟件和硬件柔性化設計，利于實驗項目的更新與調(diào)整；開放式的外部接口，適合接入多種外部控制對象；多用途的設計能支撐更多課程實驗。平臺的實驗環(huán)境，便于“做和練”的實驗教學設計和實施，符合以學生為中心、自主學習和個性化發(fā)展的問題式教學理念。

平臺深受學生和教師好評，并在2018年全國高校教師自制實驗教學設備創(chuàng)新大賽上榮獲三等獎，具有較強的推廣應用價值。

5 結語

本平臺承擔著核心課80%以上的實驗項目，從學生電機驅(qū)動器制作到面包板電子線路搭建，學生獲得了作品的成就感，完成了“做和練”的教學目標。通過Matlab復雜控制系統(tǒng)實驗，學生的專業(yè)綜合能力明顯提升。從學生實驗過程和反饋來看，實驗中需要解決的實際問題大幅提升，問題式教學得到充分落實，促進了學生對理論的深入理解，受到學生普遍好評。平臺經(jīng)過了實驗教學檢驗，并獲得2018全國高校教師自制設備創(chuàng)新大賽三等獎，符合以學生為本的教學方向。

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Design and realization of flexible experiment platform for core course of Automation specialty

QIAN Yuheng, YANG Yafei

(Experiment and Teaching Center for Flight Vehicle Control, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

This paper introduces the idea of flexible design and develops the experimental teaching platform of core course from the design of motor variable load, the introduction of the Matlab tool, the construction of breadboard environment, the design of external interface and the production of student motor driver. This platform has the flexible experiment update ability, open external expansion ability and abundant resources of control algorithm. From the feedback information of students, after increasing the content of “Doing and practicing” experiment, the questions in the experiment are enlarged and the problem-based teaching is fully implemented. The platform is well

by students and won the third prize of the National College Teachers’ Self-made Equipment Innovation Competition in 2018.

automatic control experimental platform; DC servo motor; problem-based teaching

TP271；G484

A

1002-4956(2019)10-0106-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.025

2019-02-18

黑龍江省高等教育教學改革研究項目（SJGY20180132）；2017年第二批產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“自動控制實踐課程實驗教學改革項目”（201702064008）；2018年第一批產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“自動控制理論課實驗教學平臺建設”（201801054009）

錢玉恒（1960—），男，吉林省吉林市，碩士，高級工程師，中心副主任，主要從事自動化專業(yè)實踐教學設備設計與研制。E-mail: qyh323@hit.edu.cn