自主導航船案例在《控制理論基礎》課程教學中的應用研究

胡慶松　許哲　王世明　吳青云

摘要：為降低《控制理論基礎》課程中所涉及的模型、性能分析、穩定性等概念的抽象性，借助所研發的BDS自主導航投餌船控制系統軟硬件，將授課中的知識點和投餌船控制系統的相應模塊進行對應，有效減少了課程學習過程中的抽象性。

關鍵詞：自主導航；控制算法；控制理論；抽象

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）51-0053-02

《控制理論基礎》是機械類專業的基礎課程之一[1]。與本專業的其他主干課程相比，該課程存在著數學基礎不同、知識體系差別大的特點，學生普遍反映入門難、與具體應用場景不易對應等問題[2-3]。基于此，在課程的教學過程中將科研項目中所開發的基于BDS（BeiDou Navigation Satellite System）自主導航的蝦蟹塘投餌船作為案例，細化其運動建模、反饋、穩定性分析等知識點，并與課程各章節內容進行對應，有效降低了授課難度，取得了較好的效果。

一、《控制理論基礎》課程內容抽象性分析

通過系統的調研和分析往年考卷，了解了學生所反映的“難學”到底難在何處。機械類專業的特點就是課程比較“硬”，機械制圖、力學、機械零件、工程材料等都比較難。與這些課相比，控制理論難在抽象和動態。自動化控制是電氣工程及其自動化專業的核心課程之一，且與電工電子所涉及的復數向量描述相近，所以重視程度高，難度感小。相比起來，在機械類專業，本課程處于一個相對尷尬的地位，或者說，對于機電一體化方向的同學來說其處于更加重要的地位。具體來說，《控制理論基礎》課程從反饋概念入手，基礎是建立運動模型，方法主要依托Laplace變化和頻域分析方法，重點是穩定性分析，最后歸結到校正與控制器設計。經典控制理論是該課程的核心內容，與現代控制理論及智能化控制方法相比發展成熟，但也存在著控制器設計保守，主要適應于機械方法或模擬電子為基礎的控制方法，與當前數字控制為主的現狀經常混在一起而難以分清。為解決這一問題，以科研項目中所開發的BDS自主導航蝦蟹塘投餌船控制系統軟硬件開發為主要對象，既能與經典控制理論相對接，也能體現數字控制方法，使得學生能夠更好地理解問題的本質，而不是陷入數學的公式推導中甚至忘記了本課程的核心內容。

二、BDS自主導航投餌船分析與知識點對應

我國是水產養殖大國，總產量占世界70%以上，其中池塘養殖占比48%。水產養殖中主要機械設備包括投餌機、增氧機等，魚類養殖投餌機采用定點投喂，已經比較成熟，蝦、蟹養殖中由于需要全池塘遍撒，還是以人工為主。基于此及我國BDS的發展現狀，開發了基于衛星導航的移動式投餌船，如圖1所示，可以實現蝦蟹塘自動化投餌，有效減少勞動力使用量，提升蝦蟹塘養殖的自動化水平。

蝦蟹塘投餌船是一個典型的自動控制系統，包含參考輸入、運動模型、反饋、干擾等各典型環節。從運動軌跡來說，投餌船的導航路線比較簡單，為沿池塘岸邊的長方形路線，即直線和90°轉彎兩種運動為主。以直線運動控制作為例子與控制理論課程相結合，如下所示。

1.參考輸入。自主導航投餌船的參考輸入為兩個點之間的直線。由于參考輸入的為位置，且是移動的，所以是理解控制平衡點的很好的范例，也有助于理解為什么控制模型是相對的。

2.運動建模。船體的運動建模及線性化。教材中建模以M-C-K或R-L-C為主，比較簡單直接。船體建模也是基于牛頓第二定律，但其動力和阻力具有一定的非線性。通過在平衡點的線性化，形成線性的控制模型。

3.反饋。投餌船位置、速度。船體的主反饋來自衛星定位坐標，由于其誤差的存在，采用羅經作為船體姿態的補充快速反饋單元。

4.控制器設計。采用PID控制方法進行控制，與控制理論課程中校正部分進行結合。

5.干擾。野外工作環境中的風和池塘水草的影響。野外環境的復雜性決定了干擾情況的復雜，特別是風來自不同的方向，對于控制算法的設計來說有更大的挑戰性，可以讓學生更好地了解什么是干擾，以及和穩定性的關系。

三、綜合性案例支撐下控制理論基礎與培養體系中其他課程的關系

《控制理論基礎》是一門專業基礎課，在機械設計制造及其自動化知識體系中具有重要地位，如果能夠通過綜合性案例來講解將更加有助于理解各門課程之間的相互關系，如圖2所示。為此，在授課的過程中把導航船開發涉及的相關內容進行了貫穿，有力地提升了學生對各課程內容的理解。

1.與《高等數學》的關系主要是微分方程的建立和求解。實際上，大部分同學在高等數學的學習中都感覺的比較抽象，不知道用在什么地方。通過以導航船和控制理論的學習中反過來重新理解微分方程，扎實推進了極限、微分等概念的理解。與此同時，結合并行課程《機械工程測試基礎》中振動部分內容，加深了學生對于振蕩收斂的認識，對于極點和零點各自起的作用有了更加深刻的理解。

2.與《復變函數》的關系主要基于時域和頻域的認知[4]。從時域跨到頻域是大學生學習過程中重要的一步，如何去理解是一個很大的挑戰。Laplace變換、Fourier變換學習中更多的是從數學的角度進行推導，但學生對具體的含義往往不太理解。通過微分方程和傳遞函數的變換，特別是零初始條件的解釋，有效解決了學生對頻域不理解的問題。

3.與《單片機原理及應用》等課程的關系。《單片機原理及應用》是一門重要的基礎課程，通過自主導航投餌船開發中基于單片機的硬件電路和C語言算法，使得學生理解了單片機的實際應用，了解了控制理論的實現方法。此外，通過導航船螺旋槳驅動系統等內容，將控制理論和《機電一體化》《機電系統仿真》內容相關聯，使得學生對于如何實現控制算法有了更加清晰的認識。

四、結論

科研成果對于本科教學的反哺具有很重要的價值。由于自主導航投餌船與《控制理論基礎》課程的高度對應性，并且有電路原理圖、程序代碼、圖片、視頻等，使得學生的既視感很強，有效降低了課程的抽象性和難度，并和相關課程形成了貫穿，從學生期末考試成績和實際反饋來看，取得了較好的效果。下一步將投餌船控制系統中核心算法函數進行參數化，請同學對參數進行更新，并在學校湖中進行實際運行，通過直線運動控制的效果，進一步提升學生對于自動控制的理解水平。

參考文獻：

[1]張濤，牛金星，魏巍.基于OBE理念的機械控制理論課程教學研究[J].河南教育（高教），2018，（5）：92-94.

[2]任祖華，周軍，錢惠敏，等.基于倒立擺系統案例的自動控制原理教學研究[J].教育教學論壇，2015，（43）：170-171.

[3]徐文權，唐飛，楊偉，江善和.基于案例教學法的自動控制原理課程教學研究[J].安慶師范學院學報（自科版），2017，（4）：132-134.

[4]劉琪，劉曉青.時域仿真分析下的應用型控制理論教育教學研究[J].周口師范學院學報，2014，（5）：67-69.