基于便攜式倒立擺的自動控制原理實驗教學改革初探

潘俊濤+韋海成+張白+肖明霞

摘 要 圍繞北方民族大學應用型人才培養目標，針對當前以知識教學為基礎構建的自動控制原理實踐教學環節中存在的脫離工程實踐、實踐場地受限等問題，采用基于問題學習教學方法，以便攜式倒立擺為實踐教學平臺，圍繞其數學建模、系統分析、設計及控制實現，設計課程實驗。新的課程實驗內容以實際控制系統設計的一般過程為步驟，貼近工程實際，不僅激發了學生的主動學習熱情，更鍛煉培養了學生的創新思維和實踐動手能力，強化了學生的工程素質。該實踐教學方法具有較好的可操作性，實踐教學效果良好。

關鍵詞 便攜式倒立擺；自動控制原理；基于問題學習；實驗教學

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）24-0145-03

Practical Teaching Reform for Automatic Control Principle based on Portable Inverted Pendulum//PAN Juntao， WEI Hai-cheng， ZHANG Bai， XIAO Mingxia

Abstract Focusing on the cultivation of applied talent， this paper presents a new experimental teaching reform method for the course

of automatic control principle which aiming at solving the problem that theory disengages practice. The reform scheme is proposed based

on portable inverted pendulum which close to the actual situation. Problem-based Learning is adopted to motivate students initiative enthusiasm of study. Meanwhile， the innovative thinking as well as

practical skill is improved during the execution of reformation. The

proposed method is workable which yields excellent teaching results.

Key words portable inverted pendulum； automatic control principle； problem-based learning； experimental teaching

1 引言

2016年6月，中國正式成為《華盛頓協議》中的一員，這標志著中國的工程教育正式走上國際舞臺。與此同時，中國工程教育專業認證也成為我國高等教育的重要內容之一。我國各高等院校，特別是以技術應用型人才為培養目標的高等院校，都把對學生的工程素質培養列為后期工科專業建設的核心內容[1-4]。工程素質[5]是指從事工程實踐需具備的能力，是面向工程實踐活動時所具備的潛能和適應性，包括專業理論知識、實踐技能及情感意識等多個方面。其中，實踐技能的培養是工程素質內涵的關鍵所在。相比于課堂教學環節，實驗教學環節將課程理論知識與實際相結合，不僅有效地提升了學生的實踐動手能力，更鍛煉了學生的創新思維意識，是培養學生實踐技能的重要手段。

自動控制原理課程是我國高校自動化專業及其相關專業的一門重要專業課程。為培養高質量且適應社會需求的自動化技術人才，北方民族大學圍繞服務少數民族地區發展的辦學宗旨，在新一輪的自動化專業本科人才培養方案修訂工作中將自動控制原理課程列為專業核心課之一，并相應地增加了課程學時數，強調其在專業課程體系中的重要地位。

然而，自動控制原理課程是一門理論性較強的專業課程，其內容抽象，難以理解，且其教學內容中大量穿插復雜的公式和煩瑣的證明。從現有教學調查結果看，相當一部分學生因為基礎薄弱，對這門課程很難建立學習興趣，教學效果可想而知。有鑒于此，為拉近理論知識與工程實踐的距離，營造學生的學習興趣，強化學生的工程素養，在課程教學過程中引入實驗教學環節，希望以此來方便學生對各種復雜控制概念的理解。但是受實驗場地和實驗設備的限制，這些實驗教學環節也僅僅停留在“搭建簡易模擬電路，通過仿真看曲線”上，不僅無法讓學生對“控制”建立一種直觀理解，更無法讓學生感受工程控制現場效果，不利于學生實踐技能的培養。課程學習結束后，學生往往感覺學無所用，一定程度上影響了培養學生運用理論知識解決實際問題的能力，同時有悖于國家“工程教育認證”的發展趨勢。

因此，如何在現有教學條件下改善自動控制原理課程實驗教學效果，建立控制理論概念和控制工程實踐之間的聯系，激發學生學習興趣，培養學生工程實踐素質，是北方民族大學培養高質量自動控制技術人才過程中亟待解決的主要問題之一。

倒立擺系統是自動控制技術研究領域中最為常見的實驗平臺之一，實際工程中的很多控制問題，如運載火箭的垂直發射控制、衛星姿態控制、兩足機器人平衡控制等，均可抽象為倒立擺的穩擺控制問題。考慮到倒立擺系統本質為一類強耦合、多變量、不穩定的復雜高階非線性系統，因此，其同時也是驗證各種控制算法是否有效的理想平臺。為此，本文以自動控制原理課程為背景，依托深圳元創新科技有限公司開發的便攜式倒立擺實驗平臺，針對當前課程實驗教學環節中存在的問題，引入基于問題學習（即PBL，Problem-based Learning）教學理念，提出一種新的基于便攜式倒立擺的自動控制原理PBL實驗教學改革方法。該方法不僅有效提升了學生的實踐動手能力和主動創新思維意識，而且強化了學生的工程素養。endprint

2 便攜式倒立擺的結構組成及特點

北方民族大學地處我國西部偏遠地區，是隸屬于國家民族事務委員會的一所民族院校，在校生大部分為少數民族學生，基礎普遍薄弱。綜合考慮學校民族特色、辦學宗旨及自動化學科建設需要，自動化教研室組建智能感控創新實驗室，并在現有實驗條件下引入深圳元創新科技有限公司開發的便攜式倒立擺平臺，如圖1所示。該系統主要由擺桿、小車、便攜支架、導軌、直流伺服電機、驅動裝置、電源、數據采集卡組成，所有組成部件均置于實驗箱內。其結構原理如圖2所示。

便攜式倒立擺利用數據采集卡采集旋轉編碼器數據和電機尾部編碼器數據，旋轉編碼器與擺桿同軸，電機與小車通過皮帶連接，所以通過計算就可以得到擺桿的角位移以及小車位移，角位移差分可得角速度，位移差分可得速度，然后根據自動控制理論中的控制器設計算法計算出控制量。控制量由計算機通過USB數據線下發給伺服驅動器，由驅動器實現對電機控制，電機尾部編碼器連接到驅動器形成閉環，從而可以實現擺桿直立不倒以及自擺起。

不同于傳統倒立擺實驗設備，便攜式倒立擺具有如下特點及優勢。

1）便攜性。便攜式倒立擺的便攜性打破了現有實驗場地的空間約束，從而將“實踐”教學環節擴展到課程的各個教學環節，克服傳統教學中重理論輕實踐、知行分離的弊端。

2）USB通信接口。目前，筆記本電腦在大學生中已廣泛普及，因此，便攜式倒立擺特有的USB通信接口，可使學生非常方便地將自己的筆記本電腦與便攜式倒立擺進行連接，從而讓“實驗室”在學生中間流動起來。這不僅最大限度提高了實驗設備的利用率，更激發了學生對自動控制原理課程學習的興趣。

3）易維護。便攜式倒立擺系統的擺桿、小車、便攜支架、導軌、直流伺服電機、驅動裝置、電源、數據采集卡等所有組成部件均置于實驗箱內，后期維護十分方便。

3 自動控制原理實驗教學改革

北方民族大學以往的自動控制原理實驗教學環節是以北京精儀達盛科技有限公司開發的EL-AT-III型實驗箱為平臺開展的。該實驗教學環節以課程基礎知識為出發點，通過搭建模擬電路，分析電壓曲線，完成既定的實驗任務。如此實驗教學內容雖然能在加深課本知識的同時，一定程度上鍛煉學生的實踐動手能力，但遠離工程實際，學生更是無法通過“曲線”去直觀感受現場控制效果。實驗結束后，學生往往感覺學無所用，且有悖于中國工程教育專業認證的新趨勢。

有鑒于此，本文放棄原有“搭電路，看曲線”的自動控制原理實驗教學內容，依托便攜式倒立擺平臺，采用PBL教學方法，以一般控制系統的設計步驟為主線，重新設計課程實驗教學內容。

1）倒立擺的數學建模實驗。被控對象的數學建模是控制系統設計的前提。該實驗旨在讓學生親歷實際被控對象的建模過程。實驗首先讓學生自主查詢資料，了解倒立擺實驗設備與具體控制問題間的關系；然后從倒立擺設備的電學、力學機理分析出發，熟悉倒立擺的物理特性，從而推導系統的數學模型，并考慮實際情況，對模型進行相應簡化。

2）倒立擺的階躍響應分析與可控性分析實驗。該實驗旨在培養學生綜合運用課程知識的能力及對MATLAB進行基本操作的能力。在MATLAB仿真平臺上建立系統的階躍響應分析仿真模型，并對仿真結果進行分析，從而對系統的性質進行定性、定量分析，了解系統固有特性。

3）運動控制基礎實驗。該實驗旨在加強學生對倒立擺系統硬件組成及其相關傳感器工作原理的認識。通過該實驗，建立課本知識與實際被控對象間的關系，并在這一過程中讓學生對實際控制對象有一定的初步認識。

4）綜合設計實驗。實驗分別以自動控制原理課程三個核心知識點為基礎，設置根軌跡校正實驗、頻率響應校正實驗、PID校正實驗，旨在培養學生綜合應用課程知識解決實際控制問題的能力，強化學生的工程意識和創新思維。

上述實驗內容涵蓋了課程的核心知識內容，并建立了與實際被控對象的聯系，綜合考查了學生運用知識解決實際問題的能力和操作MATLAB仿真軟件的能力，達到實踐教學環節對學生工程素質能力的培養要求。

4 總結

自動控制原理課程是一門理論性較強的專業課程，涉及的知識內容抽象，學生難以理解。為增強課程實驗教學環節的效果，強化學生的工程素質，本文依托便攜式倒立擺實驗設備，以一般實際控制系統設計步驟為主線，采用PBL教學方法，設計自動控制原理實驗教學改革方案。新的實驗教學方案貼近工程實際，充分鍛煉了學生的實際動手能力和創新思維。該實驗教學方法具有較好的可操作性，效果良好。

參考文獻

[1]劉寶，任濤，李貞剛.面向工程教育專業認證的自動化國家特色專業改革與建設[J].高等工程教育研究，2016（6）：

48-52.

[2]陸勇.淺談工程教育專業認證與地方本科高校工程教育改革[J].高等工程教育研究，2015（6）：157-161.

[3]李志義.解析工程教育專業認證的成果導向理念[J].中國高等教育，2014（17）：7-10.

[4]劉昭亞.本科院校工程教育專業認證制度研究[D].安徽：淮北師范大學，2014.

[5]夏靜萍，王瑛.工程專業認證背景下的自動控制原理實驗教學改革與實踐[J].實驗技術與管理，2016（2）：159-161，165.endprint