高中通用技術控制系統實驗教學平臺

研究背景和意義

在國家大力發展科學技術、推動拔尖創新人才培養的背景下，基礎教育越來越重視培養學生的技術意識和創新思維。對于高中通用技術，不同版本的教材幾乎都含有“控制”單元模塊，由于控制原理復雜、控制內容較多、實驗教具匱乏等原因，學生對于該單元的學習和理解存在很多困難。作為高中通用技術教師，在日常教學過程中，發現學生對于控制系統的學習和理解存在很大的困惑，只靠語言和課本，學生很難掌握“控制”單元的內容。

在以創新和實踐為主的學科背景下，傳統的課堂教學模式不適合用于該單元的教學。此外，由于控制系統涉及的數學、物理、電子、自動化相關的專業知識綜合性較強，而通用技術教師大多數是教育學出身，對學生的疑惑往往很難講解清楚。經過觀察和統計，目前“控制”單元的教具數量很少，已有的教具也存在諸多問題，比如安全性不足、美觀性差、功能單一、操作復雜、演示過程不直觀等[1-6]。為了解決“控制”單元教學的難題，筆者結合自身的教學經驗，運用多種專業技能，獨立研制出了一套適合高中控制系統教學的實驗平臺。該平臺囊括了開環、閉環、干擾、反饋等教學內容，為了方便觀察，還在電路中設置了OLED顯示屏，顯示相關數據信息。同時，為了使整個控制過程形象直觀，還編寫了配套的計算機軟件，用于展示控制過程的實時運行曲線，使控制效果一目了然。

該實驗平臺精致美觀小巧，機械和電路的設計安全合理，學生可直接觀察傳感器、被控對象、執行器、控制器等部件，幫助學生理解輸入量、輸出量、控制量、干擾等控制系統名詞。通過該實驗裝置，可以提高學生對“控制”單元的興趣和學習效率，提升教師的課堂效率。

制作過程

完整的實驗平臺展示和介紹

控制系統實驗教學平臺由5部分構成：①12V可充電鋰電池負責為裝置提供電能；②裝置左側為機械結構，紅色是指針，由N20電機和齒輪帶動旋轉；③裝置右側淺藍色部分為包含控制芯片的控制主板；④藍牙模塊可以讓計算機控制軟件與裝置進行通信；⑤裝置底部為透明亞克力底板，具有支撐和保護的作用（見圖1）。

電路部分功能區主要包含6個按鍵、3個調節旋鈕、2個LED指示燈、1塊0.96英寸的OLED顯示屏，其功能如下。

●按鍵1按下時，可以模擬電池電壓下降，每次按下電壓逐漸降低，最低值8.64V;

●按鍵2按下時，可以模擬電池電壓上升，每次按下電壓逐漸升高，最高值17.28V;

●按鍵3按下時，可以切換系統的啟動和停止狀態；

●按鍵4按下時，可以切換系統的開始/停止計時模式，記錄表針轉動1圈的時長；

●按鍵5按下時，芯片里的程序重新開始運行，系統回到初始狀態；

●鈕子開關按下時，可以切換系統開環和閉環的運行模式。

對于開環控制系統：旋鈕KP順時針旋轉，可以增加電機的轉速，逆時針旋轉可以降低電機轉速，直至停止；旋鈕KI、旋鈕KD此時不設功能。

對于閉環控制系統，此時使用的控制算法為PID：旋鈕KP、旋鈕KI、旋鈕KD順時針旋轉可以分別增大P、I、D三個參數值，逆時針旋轉減小三個參數值，可用于輔助學習PID控制算法。

電子電路設計

整個裝置的電路分為控制電路和驅動電路兩部分，設計電路使用嘉立創EDA軟件，可自主選擇芯片和元器件型號，并生成3D模擬圖，既方便又快捷。

控制電路的芯片選用了STM32F103C8T6，它具備定時器資源豐富（4個）、IO引腳多（40個左右）、頻率響應快（72MHz）、體積小巧（1cm×1cm）、價格便宜（5元左右）等諸多優勢。電機驅動芯片選用RZ7886，電源采用12V的可充電鋰電池，降壓模塊采用LM2596S-5V。

編寫芯片控制程序

STM32作為主控芯片，需要編寫相應的程序，才能驅動內部的定時器和IO口正常工作，采用Keil5軟件編寫和調試控制程序，涉及程序燒錄模式、串口通信、按鍵、ADC采樣、PID控制算法、定時器、OLED顯示屏、LED指示燈、電機驅動、PWM波生成、編碼器數據讀取、穩壓模塊等。

機械設計和材料選購

該實驗裝置三維建模使用SolidWorks軟件，電路、機械、控制一體化設計，優化結構布局，提升設計效率。表針轉動結構使用3D打印PLA材料，底座采用透明亞克力板。

輔助控制系統教學

該實驗裝置可分別演示開環控制和閉環控制，對表針的轉速進行控制，通過模擬干擾對比二者的控制精度和抗干擾能力，通過OLED屏幕和配套的計算機軟件觀察實時的轉速值和轉速變化曲線。

開環控制系統

開環控制系統由輸入量（目標值）、控制量、輸出量、控制器、執行器、被控對象組成。在實驗平臺上，通過鈕子開關使運行模式切換到開環，此時在OLED屏幕上顯示“Open”標志，在配套的計算機軟件上顯示“開環控制”（圖3）。

通過旋鈕KP可以調節當前的表針轉速，根據選擇的電機出廠參數和齒輪齒數比，在電壓為12V時，可粗略計算出當PWM=1076（滿轉為7200）時，可將表針的轉速控制在150左右，可通過OLED屏幕顯示的實時速度和計算機軟件的實時速度曲線得出這一結論。

閉環控制系統

閉環控制系統由輸入量（目標值）、控制量、輸出量、控制器、執行器、傳感器、被控對象組成，與開環控制系統相比，多了一個由傳感器構成的反饋通道，可通過一定的算法（本實驗平臺采用了PID控制器）矯正輸出量和目標值的偏差。在實驗平臺上，通過鈕子開關使運行模式切換到閉環，此時在OLED屏幕上顯示“Close”標志，在配套的計算機軟件上顯示“閉環控制”（圖4）。

抗干擾能力對比

控制系統中的干擾是普遍存在的，在整個系統的運行過程中，電壓會不可避免地產生波動，這是一個非常典型的干擾。為了對比兩種控制模式的抗干擾能力，可通過算法模擬電池電壓波動，當按鍵1按下時，電池電量逐漸下降，當按下按鍵2時，電池電量逐漸上升。

選擇一個轉速控制目標值（比如150），在開環模式下，通過調節KP旋鈕，可以使得速度保持在150附近；在閉環控制模式下，調節KP、KI、KD三個旋鈕使得參數值分別為KP=66，KI=8，KD=7，也可以使速度保持在150附近。此時，通過按鍵1、2模擬電池電量的波動，觀察二者的速度變化曲線，如圖7所示。

通過表針轉速的變化曲線，可以得到如下結論：由于反饋通道傳感器可實時檢測輸出量和輸入量的偏差，進而在控制器中進行實時矯正，因此，閉環控制的抗干擾能力更強。而開環控制系統的抗干擾能力比較差，當擾動出現時，不能矯正輸出量和目標值之間的誤差。

總結和展望

針對當前通用技術課程中“控制”系統單元教學面臨的一系列挑戰，如理論知識抽象難懂、實驗教具功能不足、實踐操作機會有限、學生興趣激發不足等問題，創新性地研發了一套控制系統實驗教學平臺。該平臺以表針的轉速控制作為核心示例，不僅包含了開環控制、閉環控制、干擾分析、反饋機制等經典教學內容，還通過一系列精心設計的功能特性，極大地優化了教學效果。

該項目獲得第38屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員科技教育創新成果一等獎