開閉環控制教學案例引入“自動控制原理”的應用與實踐

趙建偉　王洪燕　唐兵　李國晗

摘要：自動控制原理這門課程不僅是自動化專業的基礎必修課，也是其他眾多專業的基礎理論課。開、閉環控制更是控制理論中必須掌握的基礎概念，基于控制原理這門課程實踐性強的突出特點，將開閉環控制設計成一個趣味性教學案例，并引入到自動控制原理第二課堂的教學過程，通過實際的實驗仿真及實踐操作，讓學生不僅在實踐中學會這一理論，更培養了學生的實踐和團隊合作意識。

關鍵詞：開閉環控制；教學案例；自動控制原理；實驗仿真；實踐

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）11-0141-02

一、引言

現如今，控制理論成為探索各種新技術、新領域的重要工具，而作為其重要的依托單元自動控制原理這門課程，在學生的學習生活中也承擔了重要角色。自動控制原理這門課程不僅是自動化專業的專業基礎必修課，也是其他眾多專業的基礎理論課，機械專業、測試與控制專業、電氣專業等許多學科目前都將其作為本專業重點學習課程[1]。

“自動控制原理”課程的一個突出特點就是與生產實際聯系緊密、實踐性強。機械、電氣專業的學生學習本課程時一般都經過“理論實習”和“實踐實習”等教學環節，課堂學習往往停留在理論化、理想化甚至教條化的層面，對專業知識的理解很難深入和到位，要想把本課程的理論知識寓于實踐，必須開設相應的第二課堂學習，充分發揮教師的主觀能動性，引導學生結合實踐實際進行操作。而案例教學是發揮教師主觀能動性的一個主要途徑。

在此次教學的過程中引入開閉環控制系統研究實例結合進行仿真模擬實驗幫助同學更深入地學習控制原理這門課程，在這基礎上我們研制了開閉環控制智能車實驗平臺，并開設了相關內容的實驗操作課，既有物理性模擬實驗，又有數值仿真實驗，通過模擬實驗及仿真實驗使學生從理論的感性認識，升華至實踐操作的理性認識，提高學生的實踐能力。

二、設計教學實例實驗步驟

（一）確定教學課題

如下圖所示為該智能車的整體系統結構展示，由機械模塊、電氣模塊和執行模塊等部分組成[2]。助老服務智能車的系統結構如圖1所示。

（二）針對所研究課題提出問題

控制類：機械運動中的控制技術。課題基礎：運動學，物理學，數學描述。引言：你知道智能助老服務車會如何穩定運轉的，除基礎的機械結構外，它是如何利用開閉環控制理論實現智能車的控制的？

課題目標：通過實驗研究解決該助老智能車是如何利用開閉環控制系統進行工作的，并通過實驗結果比較開閉環控制系統的工作原理區別及其它們的優缺點。

（三）案例教學環節的設計

1.課題分組：根據課題情況對學生進行分組，將學生分成4個獨立小組，其中兩組負責開環控制仿真實驗，另外兩組負責閉環控制仿真實驗，每個組大約有5人，由組長給每個組員分配任務，分配原則盡量使每個組員都有參與感，參與到該實驗環節的全部過程中。組員對自己負責的任務進行規劃，寫一份簡短的報告，對自己的任務進行一下認識與總結，協助對方完成項目設計。組長召開項目交流會，串聯整個實驗過程。

2.分工與合作：之前已經對整個實驗方案進行了確定，現在將實驗分成了開環實驗與閉環實驗組，兩個實驗有相同之處，所以4個小組進行試驗交流，對實驗問題進行分析，發表個人觀點。最后確定仿真實驗步驟。

3.進行仿真實驗：根據之前的課題要求，開閉環系統的教學實例需要進行仿真實驗，得出實驗結果，對研究工作進行驗證。

三、展開課題實驗研究

（一）開閉環系統框圖描述

上面我們已經了解到智能車的基本結構，在智能車工作時驅動模塊在主控制板的作用下直接驅動直流電機，進而對車的轉速進行控制，其不具備自動修正的能力。因此開環實驗組畫開環系統的結構框圖如下：

將智能車的開環控制驅動板板用智能閉環驅動模塊代替，直流電機的輸出轉速數值通過直流編碼器反饋給智能閉環驅動板，形成閉環參與控制的控制方式。由此閉環實驗組畫出閉環系統的結構框圖如下：

（二）實驗數據設置及教學實驗

需要對智能驅動板的PID參數和梯形圖參數進行設置，利用LABVIEW編寫上位機，結合閉環驅動板對PID參數和梯形圖參數進行設置，對P，I，D三個參數進行調整，使直流電機的運行完全按照程序設定進行運轉，最終使控制參數值達到最優值[3]。

（三）歸納總結實驗結果

1.開閉環工作原理：在開環控制中驅動模塊在主控制板的作用下直接驅動直流電機，進而對車的轉速進行控制；閉環控制中編碼器實時地測出直流電機的轉速，并將轉速準確地反饋給閉環驅動板，系統通過反饋作用使電機的輸出轉速恢復到正常的期望值上。

2.開閉環控制轉速對比：但是開環的速度一直是恒定值，所以開環控制是通過計數車輪的轉數來計算輪速的；而閉環控制實驗中的車輪速度的變化先加速中間勻速過渡最后減速，所以閉環控制是通過速度來計算行進距離的。

3.開閉環控制的優缺點：智能車在無反饋系統控制下，行進距離遠高于預設距離，而智能車在反饋系統控制下，行進距離與預設距離相差不大，閉環控制誤明顯優于開環設計；但是開環控制結果十分穩定，所測的行進距離誤差值在一個非常穩定的范圍內，這說明開環系統是非常穩定的，但是控制精度遠不如閉環控制。

四、加強案例實踐教學的必要性

（一）案例教學具有現實意義

控制原理作為專業基礎課，將其理論知識與實際系統設計的實踐知識相結合是學好這門課程的關鍵。而如何將理論知識與實際實踐相結合對教師來說是一個難點。

在控制原理課程中引入“案例式”教學有其必要性和有效性。首先，案例教學是對現實問題的模擬與解答，這在控制原理教學中及其重要?，F有教科書中的習題都是高度抽象好了的模型，而如何從現實問題中提煉出模型并解決問題恰恰是控制原理教學應該重視的問題。實踐意識的培養和實踐素質的提高，對學生今后的學習和工作都將受益無窮。

（二）教學案例成功與堅持

學生如是說：開閉環控制的案例完成十分辛苦，不僅需要我們團隊合作，更需要我們對實際操作能力的熟練把握，但是我們感到與枯燥的課堂相比，我們收獲知識的同時快樂并有成就感。

案例教學實現的難度很大，首先它不僅需要教師和學生的精誠合作，還需要反復的實踐交流和共同討論，現場實際操作，導致學生和老師在整個過程中產生惰性。但不否定，案例教學比純理論教學的確有不可比擬的優勢，寓教于樂的實際實踐比枯燥乏味的純理論學習更加具有趣味性。

五、結語

如何使教師與學生之間充分溝通，如何使控制原理讓學生可以充分理解并應用于實際，是所有教學工作中的一個難點。

由于案例教學實踐起來十分困難，不僅對于教師需要協調整個實踐過程，對于學生來說后期的準備也是很麻煩的，所以案例教學的堅持是案例教學得以延續的一個重點。學生和老師必須克服惰性，才能使學生真正的將控制原理乃至其他實踐性強的課學好學扎實[4]。

參考文獻：

[1]范興剛，徐新黎，王萬良.“自動控制原理”國家精品資源共享課程建設[J].電氣電子教學學報，2014，（02）：17-26.

[2]李國晗，趙建偉，王洪燕，唐兵.基于復合濾波算法的服務機器人避障實驗研究[J].2015，（2）：5.

[3]聶春燕，吉淑嬌.基于LabVIEW的《自動控制原理》教學平臺設計與實現[J].長春大學學報，2012，（08）：923-925.

[4]劉鳳春，陳希有，牟憲民.“電工技術”課程工程教學案例設計實例[J].電氣電子教學學報，2013，（01）：25-28.