基于小車倒立擺的《自動控制原理實驗》教學實踐

盧惠民 薛小波 韋慶 徐曉紅

摘 要：本文依托小車倒立擺系統開設了《自動控制原理實驗》課程的系列設計性、綜合性實驗項目，通過改革實驗教學方法提高有限實驗學時的實驗效果，通過建設復雜控制系統綜合實驗項目提高學生運用控制理論解決實際問題的能力，通過改革教學組織模式提高課程組實驗教學整體水平，上述措施的綜合運用有效提高了本課程的實驗教學效果。

關鍵詞：小車倒立擺 自動控制原理 實驗教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：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

《自動控制原理實驗》課程開設的目的是幫助學員掌握自動控制原理的基本概念、基本的分析與設計方法，培養學生利用自動控制的基本理論分析與解決工程實際問題的思維方式和初步能力，并為學習后續相關專業課程，以及進一步學習和應用自動控制方面的新知識、新技術打下必要基礎。具體要求包括：深刻理解自動控制的基本概念、基本理論及其物理意義；學習和掌握控制系統計算機輔助分析與設計的方法、技能；學習和掌握實際控制系統的分析、設計和調試方法。

很多教師分別從實驗項目設置[1，2]、實驗教學組織[3，4]、實驗平臺建設[5-7]、實驗教學設備[8-10]、教學方法改革[11，12]等多方面探索了本課程的教學改革。本文首先介紹了本課程組基于小車倒立擺系統開設的自動控制原理實驗項目，接著分別從實驗教學方法、復雜控制系統綜合實驗項目和教學組織模式等方面介紹了本課程教學實踐中的改革與探索。

1 實驗項目設置與實驗平臺

本課程設置以下7項實驗項目：

實驗1：基于Matlab的控制系統仿真分析基礎。

實驗2：直線電機一級倒立擺控制系統認知。

實驗3：直線電機控制系統時域分析。

實驗4：直線電機PID控制器設計。

實驗5：直線電機控制系統頻域分析。

實驗6：直線電機串聯校正控制器設計。

實驗7：直線電機一級倒立擺綜合控制實驗。

其中實驗1用于訓練學生掌握運用Matlab/simulink進行控制系統仿真和分析的基礎；實驗2使學生熟悉直線電機一級倒立擺控制系統實驗平臺的軟硬件環境和工作原理；實驗3和實驗5分別為從時域和頻域對控制系統進行參數測量、辨識與建模實驗；實驗4和實驗6為直線電機控制系統控制器設計實驗；前6個實驗主要涉及直線電機的建模、分析與設計，實驗7在直線電機基礎上加了擺桿，要求通過控制使擺桿倒立，是綜合性復雜控制系統實驗項目，訓練學生綜合運用所學自動控制原理知識的能力。

所有實驗項目完全基于直線電機-倒立擺實驗平臺這樣一套實驗系統，整個教學內容基于同一系統循序漸進地開展實施，降低了學生熟悉實驗裝置的難度。此外，在課堂教學中將實驗裝置作為實例進行講解，將實驗教學與課堂理論教學更好地相結合，有效地加強了課堂教學和實驗教學的聯系，可更加充分地發揮實驗教學的作用。該實驗平臺如圖1所示。

2 教學實踐改革

課程組在開展本課程教學實踐的過程中，分別通過改革實驗教學方法、建設復雜控制系統綜合實驗項目和改革教學組織模式等，有效提高了實驗教學效果。

2.1 實驗教學方法上的改革

在教學方法上，理順了教學環節，提高了教學實施的科學性和有效性。課程組強調學生的實驗準備，以提高有限實驗學時的實驗效果。課程組建設了與實驗項目相配套的基于計算機輔助分析與設計工具的仿真系統及軟件，要求學生在課前完成實驗預習和仿真分析設計，課中完成實際操作和調試，課后完成實驗數據的分析處理、實驗報告撰寫等。根據該理念，成績評定方式設置為：操作技能占40%，實驗報告占60%，其中操作技能部分通過實驗結果驗收或學生的現場簡單答辯來評定相應分數；實驗報告含實驗預習、仿真分析設計、實驗結果和分析，主要考察學生對實驗的設計能力、對數據的分析處理能力和對結果的歸納總結能力。此外，在實驗教學過程中，課程組對學生的實驗數據真實性做了嚴格要求和仔細檢查，以培養學生嚴謹的學術態度。

2.2 復雜控制系統綜合實驗項目的建設

課程組經過多次試驗調試和深入研究，開設了基于經典控制理論的直線電機一級倒立擺控制系統設計實驗，該實驗作為復雜控制系統綜合實驗，可培養學生使用控制理論解決實際問題的能力，進一步促使學生掌握和鞏固控制系統實現的一般過程：建模—分析—設計—實現。該實驗具體設置如下。

實驗名稱：基于根軌跡的直線電機一級倒立擺控制器設計。

實驗目的與任務：

（1）掌握基于根軌跡的復雜高階系統的控制器設計方法。

（2）掌握實際復雜控制系統的調試方法，提高實踐動手能力。

實驗原理：

直線電機一級倒立擺的數學模型是高階復雜系統。根據系統特點把該復雜系統分解為擺桿角度控制回路（內環）和電機位置控制回路（外環），經過有效簡化，兩個回路都可以近似為二階系統，然后采用串聯校正控制器設計方法，按照先內環后外環的順序設計直線電機一級倒立擺控制器。

通過該綜合性實驗，學生鞏固了控制系統的數學建模、基于Matlab的控制系統模型的建立、使用Matlab進行控制系統分析和設計、基于根軌跡的控制器設計等知識和技能，學會了實際系統中負反饋的判別方法和不易判別的原因，提高了實驗調試技能。

2.3 教學組織模式上的改革

課程組建立了共同備課制度，制定合理的實驗教學計劃和課程考核方式方法，確保了本課程的教學質量；組織了實驗教學示范課，培訓新參與本實驗課程教學的教師；建立和完善了課程組內部的定期研討交流制度；建立了新任課教師的試講制度，要求新教師承擔教學任務前必須跟課。課程組確立了《自動控制原理》課程主講教師為實驗教學第一負責人的制度，與實驗教師共同指導實驗教學，因此主講教師更加了解實驗，實驗教師也得到了理論提升，有效地加強了課堂教學和實驗教學的聯系。

3 結語

經過課程組對上述綜合性、設計性實驗項目的建設，使得學生通過實驗，能夠真正對所學內容做到融會貫通。通過建設與實驗項目相配套的基于計算機輔助分析與設計工具的仿真系統及軟件，強化實驗準備，要求學生在實驗前必須完成仿真分析和設計，提高了有限學時內的實驗效果。通過革新教學組織模式，提高了課程組實驗教學的整體水平。從考試情況和學生反饋的情況來看，學生分析和設計控制系統的能力得到較大提高，如在《自動控制原理》課程考試中，關于控制系統設計的綜合設計題，學生的答題情況均較為理想。

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