基于應用型本科的運動控制實踐教程探索

黃捷　陳春

摘 要 運動控制是對機械運動部件的位置、速度等進行實時的控制管理，讓終端執行器按照預期軌跡和規定運動參數完成相應動作。在運動控制課程及配套的實踐教程編寫上，特別是適用于應用型本科學生的教程，需要就通用性、實用性、預見性加以很好的規劃，使得學生在掌握各類控制對象的使用與設置后，對于運動控制課程的學習、實踐開展及初步工程應用等方面，能夠獨立解決實際問題。在介紹常見運動控制實踐課程的基礎上，結合學生具體情況，詳細介紹了實踐課程的開設思路及規劃，對于學生課程結束后的期望，最終能夠達到的一個目標，最后結合近幾年實踐的效果等進行小結。

關鍵詞 應用型本科 運動控制 教程探索

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.09.022

Exploration of Motion Control Practice Course based on

Applied Undergraduate

HUANG Jie， CHEN Chun

（Sanjiang University， Nanjing， Jiangsu 210012）

Abstract Motion control is the real-time control and management of the position and speed of mechanical moving parts， so that the terminal executor can perform the corresponding actions according to the desired trajectory and the prescribed motion parameters. In the course of motion control and supporting the practice of the tutorial preparation， and is especially suitable for the application type undergraduate tutorial， need versatility， practicality and foresight to good planning， make the students master the use and set up all kinds of control objects， for study and practice of motion control curriculum development and preliminary engineering application， to solve the problems independently. Based on the introduction of common motion control practice teaching， combined with the specific conditions of the students， introduces the open plan and practice courses， courses for students after the end of expectations， eventually to a goal， finally summary in recent years with the effect of practice etc.

Keywords applied undergraduate colleges； motion control； tutorial exploration

0 引言

運動控制課程具有綜合應用性、工程實踐性強的特點：綜合了電氣、電子、計算機、機械、控制理論等學科知識，工程應用廣泛，涵蓋了國民經濟的各個領域。

應用型人才的培養，就是要以能力為中心，以培養技術應用型專門人才為目標的。我校重視學生實踐能力和創新、創業能力的培養，突出實踐教學，加強實驗實訓基地的建設，努力為地方經濟建設和社會發展培養高素質的應用型人才。

“運動控制”實踐課程，作為電氣及控制相關專業的必修課，教學計劃在大學三年級開始教授，作為理論的實踐者，除了掌握控制理論的基礎知識、控制系統的組成、控制系統的設計、整體系統調試等內容都是結合實際情況完成的，在完成運動控制實踐的內容后，會對以后的學習、就業實踐及具體的工程應用顯得尤為重要。

本文首先介紹實踐課程開展的基本系統組成，在此基礎上介紹課程開設的思路及規劃內容，再由淺入深地介紹運動控制是如何應用在實際生活中的，對于特殊的工程應用領域，如何分步驟開展項目，階段測試，最終聯調等內容，最后進行整體小結。

1 運動控制實踐課的基本系統組成

X軸Y軸二維控制平臺，是最能體現現代運動控制的對象，是許多機電一體化系統的基本組成部分，在數控設備例如車、銑、鉆、激光切割等領域，都有所應用。固高科技面向一線制造行業和高校開發的GXY系列X-Y工作平臺，采用工業化制造標準設計制造，結合先進的模塊化設計思想，其產品可廣泛應用于焊接、噴漆、點膠、沖孔、打包、剪切等領域，特別是各類數控及精密位置控制設備的研究開發，以及高校相關專業的機電傳動控制、計算機自動控制系統、機械控制工程以及數控加工技術等專業領域的研究與教學實踐。

1.1 X-Y平臺組成

一套完整的X-Y平臺系統主要由以下部分組成，見圖 1：

①控制對象，XY平臺機械本體；②電控柜；③計算機。

學生在計算機上通過平臺控制軟件，將要發送的指令通過機器代碼轉換，經電控柜轉化為實際的控制信號，再進過傳輸線路傳送給機械本體的具體執行部件；反饋的信號由反饋元件采集，通過電控箱返回傳送回計算機，并通過軟件的算法轉化為PC機可視的數據、曲線、圖像等，在顯示終端上顯示出來。endprint

控制部分的內容，采用基于計算機與DSP運動控制器的開放式體系，主要由計算機、運動控制板卡、電控箱、運動控制器、執行電機及相關軟件組成。

控制系統示意圖，如圖2所示。

圖2 X-Y平臺控制系統示意圖

1.2 運動控制實踐規劃體系

在主要以運動控制卡為基礎的計算機實驗裝置，現代運動控制實踐內容規劃體系如圖3。

在以工業控制標準設置的平臺基礎上，我們可以在課程實驗、課程設計、畢業設計以及相關工業控制項目的基礎上，繼續發揮創新創造性思維，結合生產實際并緊密聯系生活，與教師及制造企業相互交流，在生產中就產生的相關問題付諸行動，采用國產設備，不斷拓展裝備制造業領域，提升我國的裝備制造業綜合水平。

2 運動控制實踐課程的開設

專業課的開設如何適應應用型本科教育，如何在應用上取得相應的成績？結合學校提出的發展應用型教育，培養應用型人才，建設應用型大學的辦學指導思想，高度重視并牢固樹立實踐教學在應用型人才培養中的重要地位；強調樹立實踐教學與理論教學并重，更重視實踐教學；能力提高與知識傳授并重，更重視能力的提高；素質教育與專業培養并重，更重視素質教育。

在三并重的教學工作思路引導下，實踐、應用與創新的三結合教學思路，課程在開設的過程中，充分考慮要以學生為主體，教師為主導，課程的內容在設置過程中，充分考慮了學生的層次及接受能力，分為四種類型的教程，因材施教分流培養，在傳授知識的同時，積極培養學生的實際及實踐動手能力，積極引導學生培養創新意識，提升個人的綜合素質，達到培養應用型人才創新的目的。

2.1 課程設置內容規劃

課程內容在設置上，也考慮到要以培養學生的工程實踐能力和創新實踐能力為核心，深化實踐教學和課程體系改革，構建以能力培養為主線，分層次多模塊的實驗體系，構建基礎型、提高型、創新型實驗、項目實踐型內容四個層次；通過獨立實驗，課內實驗、課程設計、綜合訓練與實習等多種形式不同學時的培養體系。

實踐內容首先從認知實驗開始，結合從古至今案例，講解運動控制是如何從無到有發展起來的，從地動儀到雷達控制，從火箭等航天器的運行控制，到工業機器人的綜合應用，結合掛圖、視頻等內容，讓學生有一個初步的運動控制概念。

再結合理論知識，把我們的測試平臺系統結構、平臺組成、系統連線、基礎維護等內容對學生展開初步講解，就工業級的控制器、運動控制板卡、計算機等如何構成一個基礎的系統，進行由內而外的分段講解，結合實物的電控單元、運動控制部分、位置檢測及反饋機制、軟件對硬件的控制等，連貫講解透徹，讓學生能夠將理論與實踐對象結合起來。

第三步，將基本的器件進行實物講解，例如聯軸器、絲杠、導軌、步進電機、交流伺服電機、控制器、光柵尺、編碼器等，從不認識到基本了解，再到基本掌握選型等內容，在后續的實踐內容中，學生還有專項訓練。

緊接著進行后續的再次認知，對前期羅列出的內容進行鞏固記憶。同時演示直線倒立擺的實驗內容、四自由度工業機器人搬運物體實驗、磁懸浮鐵球控制實驗。通過再講解，對這些例程中運用到的知識反過來，從理論中尋找答案，這對激發學生的學習興趣非常重要。

隨后的進階內容就此展開，實驗平臺的初步調試、單軸PID控制對比、運動控制之速度規劃、插補原理及實現方式對比測試、數控G代碼初步編程、反向間隙及電子齒輪控制、某類型變頻器控制、雙閉環不可逆直流調速系統測試。依次按照由淺入深的課程設置，完成相應內容。

在基礎型實驗完成后，學生對于系統平臺的操作、測試都有所掌握，緊接著就可以完成提高型實驗。結合設計，將VB、VC機器語言介紹給學生，在有著基礎C語言課程學習的前提下，完成運動控制板卡的基礎控制界面開發，能夠實現基本執行器的簡單控制，同時，思考指令的調用、界面的合理開發、精度的控制等內容。在此基礎上，還可以完成單片機對于步進電機的控制操作內容，某定位模塊的初步聯調應用，基于變頻器與可編程控制器的單閉環PID控制等有一定難度提高的內容。

完成了提高型的內容后，學生就可以結合自身的愛好及控制操作，試著完成運動控制的創新型實踐內容。例如運動控制平臺的綜合VB開發及應用，結合現有的平臺系統，將運動控制器的性能、執行電機的選型、兩者參數匹配、方案設計與實施、語言的運用、動態鏈接庫的接入環境、系統開發及編程調試、綜合測試結果校驗、最終的程序清單等。在此基礎上，還可以進行基于VC的運動控制卡開發綜合應用、步進電機的驅動器設計與研究、基于現場總線的多電機同步控制系統設計等內容。

學生在前段時間的階段訓練完成后，就可以嘗試開展項目實踐型的實驗內容。例如通過參觀實習，學生可以獨立完成某小區基于變頻器控制的恒壓供水系統改造、基于視覺引導的工業機器人抓取系統設計、基于運動控制板卡的6-8軸終端執行電機同步控制等。

2.2 課程設置內容的完成情況

48學時的課程，在學時安排上，理論課程36學時，實踐課程12學時，僅有的十二課時，基本能夠完成基礎性實驗內容。基礎型實驗，重基礎知識的理解、掌握如何加以應用，學生在基本方法和基本技能的掌握方面在本科教學評估測試中取得了較好的成績。

部分接受能力快的學生，可以完成提高型實踐內容。提高型實驗，包括提高性、綜合性、應用性實驗等，重知識的融會貫通和自行設計，強調綜合與分析能力的提高，提倡開放式的自主實驗，通過一些自行設計的鍛煉、動手制作一些有應用價值和前景的作品。

通過以上不同層次實踐課程的開設及訓練，學生可以充分理解何謂運動控制，同時可以充分發揮個人的水平，很好地完成課內實踐內容。

以數控G代碼編程為例，在進行這一類基礎課程實踐的過程中，結合所給案例細致講解，點的移動、位移的算法、圓的不同繪制方法、點線的過渡切換、平面直線與曲線的過渡算法等，對學生都是很好的鍛煉，前期的認知實驗及不同的插補實現內容等，對數控代碼編程都是有促進作用的。學生相互之間又會有必要的交流，學過數控的同學可以提出教師此前講解不夠專業的問題，教師反過來引導學生，在完成實踐內容過程中怎樣突出重點，相互學習共同進步。每輪課程完成后，都會在報告中發現學生的優秀作品，做好學生優秀作品的收集工作，對于教程的豐富上，實時添加，促進了學生對數控編程的學習和研究。endprint

2.3 課程設置創新內容在畢業設計中的實施

創新型實驗，重在創新系統解決方案和自主提出問題、分析和解決問題。在基礎課程實踐以外，畢業設計是檢驗學生掌握運動控制課程內容非常好的手段。

機器人控制是工業4.0的一個分支，對于機器人的控制原理，運動軌跡規劃，精確的位置定位等問題，都需要學生花時間學習相關知識，但對于應用型本科培養的畢業生來說，如何在短時間內完成對象的綜合應用，是重要問題。

例如學生在四自由度工業機器人控制過程中，提出如何不用示教軟件，完成工業控制對象的控制問題。在畢業設計中，此學生就這個問題展開了畢業設計的相關工作，從學習VC語言入手，在語言環境中對基本控制界面進行規劃，在學習運動控制板卡使用時，對函數的調用、載入等問題深入研究，通過計算機與運動控制板卡建立函數連接，到控制終端運動控制器，再到執行電機的控制漸進式地完成了相應內容，學生在此基礎上收獲頗豐，也在對口單位找到了合適的機器人維護工作。

2.4 結合工程應用綜合訓練內容添加

項目實踐型內容，注重考驗學生的綜合能力，結合實際工程案例，組建合適的團隊，任務分配及團隊的協作能力，都需要學生自己處理好。

此類實踐內容在學生畢業后，學生在專業對口實習單位實習過程中，可以就單位所給的工程對象，結合課程所學內容，發揮個人的特長組建團隊，對實際案例進行仿真后，通過建模，軟硬件組合，完成最終方案的確定等，一系列的問題解決都是對學生能力的考驗，通過課程設置的實踐內容鍛煉，此類的問題在工作中，基本是可以解決的。

此類問題對學生的要求提出更高的要求，所以，是建立在對運動控制感興趣的學生，同時，學生今后的就業方向也是對應的，這部分學生目的性很強，塑造性很強。

2.5 課程設置內容反饋

在期中、期末的教學研討會上，全體學生在聯網的計算機上，會對教師進行集體評教；學生代表會在學院的教學研討會中對任課老師進行評價，同時對課堂教學內容進行積極的反饋，通過教學院長建立“學生—學校—教師—學生”這樣的反饋機制，可以很好地將課程改革進行下去，促進該課程的深入改革，對適用于應用型本科的學生培養，可以起到很好的正反饋作用。

3 結束語

在對學生開展啟發式、討論式教學，注重（下轉第100頁）（上接第50頁）對學生科學志愿、團隊精神和創新意識的培養過程中，對于應用型本科學生培養提出了一定要求；同時倡導理論教師也能完成實驗實踐內容，學校也要重視雙師型師資的培養，使理論教學與實踐教學緊密結合起來；配套的實踐教程編寫，在基本框架不變的情況下，合理增加社會需求的實踐內容，如何適應市場需求，適應一線用人單位需求，是我們必須要考慮的。通過近5年的課程教學，電氣專業及機械數控專業的學生，基本掌握了基礎型、提高型實踐內容，創新型實驗及項目實踐型內容在現行的教學計劃中，只能充分利用課外時間加以實施，在此環境下，充分借鑒其他課程對于應用型人才的培養模式，適時調整教程內容安排，這樣才能培養出適應于工礦企業的，能說、能做、能合作的應用型人才。

基金項目：“十二五”期間省重點教材立項項目，獲省教育廳2015年高等學校重點教材（新編教材）立項（編號：2015-2-033）

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