盧惠民 薛小波 韋慶 徐曉紅

摘 要：本文依托小車倒立擺系統(tǒng)開設(shè)了《自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)》課程的系列設(shè)計(jì)性、綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，通過改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法提高有限實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)效果，通過建設(shè)復(fù)雜控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目提高學(xué)生運(yùn)用控制理論解決實(shí)際問題的能力，通過改革教學(xué)組織模式提高課程組實(shí)驗(yàn)教學(xué)整體水平，上述措施的綜合運(yùn)用有效提高了本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：小車倒立擺 自動(dòng)控制原理 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）08（b）-0164-03

Abstract： In this paper， a sereis of designing and comprehensive experiments are introduced based on the cart inverted pendulum system for the course of the experiments of automatic control. By innovating experimental teaching methods， the experimental teaching results are improved within the limited experimental time； by setting comprehensive experiments of complex control system， students ability to solve practical problems using control theory is improved； by innovating teaching organizing modes， the teaching ability of the whole teaching group is improved. The experimental teaching results are improved effectively by applying the methods mentioned above comprehensively.

Key Words： Cart Inverted Pendulum； Automatic Control Theory； Experimental Teaching

《自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)》課程開設(shè)的目的是幫助學(xué)員掌握自動(dòng)控制原理的基本概念、基本的分析與設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生利用自動(dòng)控制的基本理論分析與解決工程實(shí)際問題的思維方式和初步能力，并為學(xué)習(xí)后續(xù)相關(guān)專業(yè)課程，以及進(jìn)一步學(xué)習(xí)和應(yīng)用自動(dòng)控制方面的新知識(shí)、新技術(shù)打下必要基礎(chǔ)。具體要求包括：深刻理解自動(dòng)控制的基本概念、基本理論及其物理意義；學(xué)習(xí)和掌握控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)的方法、技能；學(xué)習(xí)和掌握實(shí)際控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和調(diào)試方法。

很多教師分別從實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置[1，2]、實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織[3，4]、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)[5-7]、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備[8-10]、教學(xué)方法改革[11，12]等多方面探索了本課程的教學(xué)改革。本文首先介紹了本課程組基于小車倒立擺系統(tǒng)開設(shè)的自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，接著分別從實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、復(fù)雜控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和教學(xué)組織模式等方面介紹了本課程教學(xué)實(shí)踐中的改革與探索。

1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本課程設(shè)置以下7項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：

實(shí)驗(yàn)1：基于Matlab的控制系統(tǒng)仿真分析基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)2：直線電機(jī)一級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)認(rèn)知。

實(shí)驗(yàn)3：直線電機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)域分析。

實(shí)驗(yàn)4：直線電機(jī)PID控制器設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)5：直線電機(jī)控制系統(tǒng)頻域分析。

實(shí)驗(yàn)6：直線電機(jī)串聯(lián)校正控制器設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)7：直線電機(jī)一級(jí)倒立擺綜合控制實(shí)驗(yàn)。

其中實(shí)驗(yàn)1用于訓(xùn)練學(xué)生掌握運(yùn)用Matlab/simulink進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真和分析的基礎(chǔ)；實(shí)驗(yàn)2使學(xué)生熟悉直線電機(jī)一級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟硬件環(huán)境和工作原理；實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)5分別為從時(shí)域和頻域?qū)刂葡到y(tǒng)進(jìn)行參數(shù)測(cè)量、辨識(shí)與建模實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)4和實(shí)驗(yàn)6為直線電機(jī)控制系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)；前6個(gè)實(shí)驗(yàn)主要涉及直線電機(jī)的建模、分析與設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)7在直線電機(jī)基礎(chǔ)上加了擺桿，要求通過控制使擺桿倒立，是綜合性復(fù)雜控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)自動(dòng)控制原理知識(shí)的能力。

所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目完全基于直線電機(jī)-倒立擺實(shí)驗(yàn)平臺(tái)這樣一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，整個(gè)教學(xué)內(nèi)容基于同一系統(tǒng)循序漸進(jìn)地開展實(shí)施，降低了學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)裝置的難度。此外，在課堂教學(xué)中將實(shí)驗(yàn)裝置作為實(shí)例進(jìn)行講解，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課堂理論教學(xué)更好地相結(jié)合，有效地加強(qiáng)了課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的聯(lián)系，可更加充分地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

2 教學(xué)實(shí)踐改革

課程組在開展本課程教學(xué)實(shí)踐的過程中，分別通過改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法、建設(shè)復(fù)雜控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和改革教學(xué)組織模式等，有效提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

2.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法上的改革

在教學(xué)方法上，理順了教學(xué)環(huán)節(jié)，提高了教學(xué)實(shí)施的科學(xué)性和有效性。課程組強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，以提高有限實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)效果。課程組建設(shè)了與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相配套的基于計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)工具的仿真系統(tǒng)及軟件，要求學(xué)生在課前完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和仿真分析設(shè)計(jì)，課中完成實(shí)際操作和調(diào)試，課后完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫等。根據(jù)該理念，成績(jī)?cè)u(píng)定方式設(shè)置為：操作技能占40%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告占60%，其中操作技能部分通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)收或?qū)W生的現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)單答辯來(lái)評(píng)定相應(yīng)分?jǐn)?shù)；實(shí)驗(yàn)報(bào)告含實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、仿真分析設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析，主要考察學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)能力、對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理能力和對(duì)結(jié)果的歸納總結(jié)能力。此外，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，課程組對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)性做了嚴(yán)格要求和仔細(xì)檢查，以培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)態(tài)度。

2.2 復(fù)雜控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)

課程組經(jīng)過多次試驗(yàn)調(diào)試和深入研究，開設(shè)了基于經(jīng)典控制理論的直線電機(jī)一級(jí)倒立擺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)作為復(fù)雜控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)，可培養(yǎng)學(xué)生使用控制理論解決實(shí)際問題的能力，進(jìn)一步促使學(xué)生掌握和鞏固控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一般過程：建?！治觥O(shè)計(jì)—實(shí)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)具體設(shè)置如下。

實(shí)驗(yàn)名稱：基于根軌跡的直線電機(jī)一級(jí)倒立擺控制器設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù)：

（1）掌握基于根軌跡的復(fù)雜高階系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)方法。

（2）掌握實(shí)際復(fù)雜控制系統(tǒng)的調(diào)試方法，提高實(shí)踐動(dòng)手能力。

實(shí)驗(yàn)原理：

直線電機(jī)一級(jí)倒立擺的數(shù)學(xué)模型是高階復(fù)雜系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)把該復(fù)雜系統(tǒng)分解為擺桿角度控制回路（內(nèi)環(huán)）和電機(jī)位置控制回路（外環(huán)），經(jīng)過有效簡(jiǎn)化，兩個(gè)回路都可以近似為二階系統(tǒng)，然后采用串聯(lián)校正控制器設(shè)計(jì)方法，按照先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的順序設(shè)計(jì)直線電機(jī)一級(jí)倒立擺控制器。

通過該綜合性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生鞏固了控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模、基于Matlab的控制系統(tǒng)模型的建立、使用Matlab進(jìn)行控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)、基于根軌跡的控制器設(shè)計(jì)等知識(shí)和技能，學(xué)會(huì)了實(shí)際系統(tǒng)中負(fù)反饋的判別方法和不易判別的原因，提高了實(shí)驗(yàn)調(diào)試技能。

2.3 教學(xué)組織模式上的改革

課程組建立了共同備課制度，制定合理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃和課程考核方式方法，確保了本課程的教學(xué)質(zhì)量；組織了實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范課，培訓(xùn)新參與本實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的教師；建立和完善了課程組內(nèi)部的定期研討交流制度；建立了新任課教師的試講制度，要求新教師承擔(dān)教學(xué)任務(wù)前必須跟課。課程組確立了《自動(dòng)控制原理》課程主講教師為實(shí)驗(yàn)教學(xué)第一負(fù)責(zé)人的制度，與實(shí)驗(yàn)教師共同指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，因此主講教師更加了解實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教師也得到了理論提升，有效地加強(qiáng)了課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的聯(lián)系。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過課程組對(duì)上述綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)，使得學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，能夠真正對(duì)所學(xué)內(nèi)容做到融會(huì)貫通。通過建設(shè)與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相配套的基于計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)工具的仿真系統(tǒng)及軟件，強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前必須完成仿真分析和設(shè)計(jì)，提高了有限學(xué)時(shí)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)效果。通過革新教學(xué)組織模式，提高了課程組實(shí)驗(yàn)教學(xué)的整體水平。從考試情況和學(xué)生反饋的情況來(lái)看，學(xué)生分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的能力得到較大提高，如在《自動(dòng)控制原理》課程考試中，關(guān)于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜合設(shè)計(jì)題，學(xué)生的答題情況均較為理想。

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