基于便携式倒立摆的自动控制原理实验教学改革初探

潘俊涛+韦海成+张白+肖明霞

摘 要 围绕北方民族大学应用型人才培养目标，针对当前以知识教学为基础构建的自动控制原理实践教学环节中存在的脱离工程实践、实践场地受限等问题，采用基于问题学习教学方法，以便携式倒立摆为实践教学平台，围绕其数学建模、系统分析、设计及控制实现，设计课程实验。新的课程实验内容以实际控制系统设计的一般过程为步骤，贴近工程实际，不仅激发了学生的主动学习热情，更锻炼培养了学生的创新思维和实践动手能力，强化了学生的工程素质。该实践教学方法具有较好的可操作性，实践教学效果良好。

关键词 便携式倒立摆；自动控制原理；基于问题学习；实验教学

中图分类号：G642.423 文献标识码：B

文章编号：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，中國正式成为《华盛顿协议》中的一员，这标志着中国的工程教育正式走上国际舞台。与此同时，中国工程教育专业认证也成为我国高等教育的重要内容之一。我国各高等院校，特别是以技术应用型人才为培养目标的高等院校，都把对学生的工程素质培养列为后期工科专业建设的核心内容[1-4]。工程素质[5]是指从事工程实践需具备的能力，是面向工程实践活动时所具备的潜能和适应性，包括专业理论知识、实践技能及情感意识等多个方面。其中，实践技能的培养是工程素质内涵的关键所在。相比于课堂教学环节，实验教学环节将课程理论知识与实际相结合，不仅有效地提升了学生的实践动手能力，更锻炼了学生的创新思维意识，是培养学生实践技能的重要手段。

自动控制原理课程是我国高校自动化专业及其相关专业的一门重要专业课程。为培养高质量且适应社会需求的自动化技术人才，北方民族大学围绕服务少数民族地区发展的办学宗旨，在新一轮的自动化专业本科人才培养方案修订工作中将自动控制原理课程列为专业核心课之一，并相应地增加了课程学时数，强调其在专业课程体系中的重要地位。

然而，自动控制原理课程是一门理论性较强的专业课程，其内容抽象，难以理解，且其教学内容中大量穿插复杂的公式和烦琐的证明。从现有教学调查结果看，相当一部分学生因为基础薄弱，对这门课程很难建立学习兴趣，教学效果可想而知。有鉴于此，为拉近理论知识与工程实践的距离，营造学生的学习兴趣，强化学生的工程素养，在课程教学过程中引入实验教学环节，希望以此来方便学生对各种复杂控制概念的理解。但是受实验场地和实验设备的限制，这些实验教学环节也仅仅停留在“搭建简易模拟电路，通过仿真看曲线”上，不仅无法让学生对“控制”建立一种直观理解，更无法让学生感受工程控制现场效果，不利于学生实践技能的培养。课程学习结束后，学生往往感觉学无所用，一定程度上影响了培养学生运用理论知识解决实际问题的能力，同时有悖于国家“工程教育认证”的发展趋势。

因此，如何在现有教学条件下改善自动控制原理课程实验教学效果，建立控制理论概念和控制工程实践之间的联系，激发学生学习兴趣，培养学生工程实践素质，是北方民族大学培养高质量自动控制技术人才过程中亟待解决的主要问题之一。

倒立摆系统是自动控制技术研究领域中最为常见的实验平台之一，实际工程中的很多控制问题，如运载火箭的垂直发射控制、卫星姿态控制、两足机器人平衡控制等，均可抽象为倒立摆的稳摆控制问题。考虑到倒立摆系统本质为一类强耦合、多变量、不稳定的复杂高阶非线性系统，因此，其同时也是验证各种控制算法是否有效的理想平台。为此，本文以自动控制原理课程为背景，依托深圳元创新科技有限公司开发的便携式倒立摆实验平台，针对当前课程实验教学环节中存在的问题，引入基于问题学习（即PBL，Problem-based Learning）教学理念，提出一种新的基于便携式倒立摆的自动控制原理PBL实验教学改革方法。该方法不仅有效提升了学生的实践动手能力和主动创新思维意识，而且强化了学生的工程素养。endprint

2 便携式倒立摆的结构组成及特点

北方民族大学地处我国西部偏远地区，是隶属于国家民族事务委员会的一所民族院校，在校生大部分为少数民族学生，基础普遍薄弱。综合考虑学校民族特色、办学宗旨及自动化学科建设需要，自动化教研室组建智能感控创新实验室，并在现有实验条件下引入深圳元创新科技有限公司开发的便携式倒立摆平台，如图1所示。该系统主要由摆杆、小车、便携支架、导轨、直流伺服电机、驱动装置、电源、数据采集卡组成，所有组成部件均置于实验箱内。其结构原理如图2所示。

便携式倒立摆利用数据采集卡采集旋转编码器数据和电机尾部编码器数据，旋转编码器与摆杆同轴，电机与小车通过皮带连接，所以通过计算就可以得到摆杆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，然后根据自动控制理论中的控制器设计算法计算出控制量。控制量由计算机通过USB数据线下发给伺服驱动器，由驱动器实现对电机控制，电机尾部编码器连接到驱动器形成闭环，从而可以实现摆杆直立不倒以及自摆起。

不同于传统倒立摆实验设备，便携式倒立摆具有如下特点及优势。

1）便携性。便携式倒立摆的便携性打破了现有实验场地的空间约束，从而将“实践”教学环节扩展到课程的各个教学环节，克服传统教学中重理论轻实践、知行分离的弊端。

2）USB通信接口。目前，笔记本电脑在大学生中已广泛普及，因此，便携式倒立摆特有的USB通信接口，可使学生非常方便地将自己的笔记本电脑与便携式倒立摆进行连接，从而让“实验室”在学生中间流动起来。这不仅最大限度提高了实验设备的利用率，更激发了学生对自动控制原理课程学习的兴趣。

3）易维护。便携式倒立摆系统的摆杆、小车、便携支架、导轨、直流伺服电机、驱动装置、电源、数据采集卡等所有组成部件均置于实验箱内，后期维护十分方便。

3 自动控制原理实验教学改革

北方民族大学以往的自动控制原理实验教学环节是以北京精仪达盛科技有限公司开发的EL-AT-III型实验箱为平台开展的。该实验教学环节以课程基础知识为出发点，通过搭建模拟电路，分析电压曲线，完成既定的实验任务。如此实验教学内容虽然能在加深课本知识的同时，一定程度上锻炼学生的实践动手能力，但远离工程实际，学生更是无法通过“曲线”去直观感受现场控制效果。实验结束后，学生往往感觉学无所用，且有悖于中国工程教育专业认证的新趋势。

有鉴于此，本文放弃原有“搭电路，看曲线”的自动控制原理实验教学内容，依托便携式倒立摆平台，采用PBL教学方法，以一般控制系统的设计步骤为主线，重新设计课程实验教学内容。

1）倒立摆的数学建模实验。被控对象的数学建模是控制系统设计的前提。该实验旨在让学生亲历实际被控对象的建模过程。实验首先让学生自主查询资料，了解倒立摆实验设备与具体控制问题间的关系；然后从倒立摆设备的电学、力学机理分析出发，熟悉倒立摆的物理特性，从而推导系统的数学模型，并考虑实际情况，对模型进行相应简化。

2）倒立摆的阶跃响应分析与可控性分析实验。该实验旨在培养学生综合运用课程知识的能力及对MATLAB进行基本操作的能力。在MATLAB仿真平台上建立系统的阶跃响应分析仿真模型，并对仿真结果进行分析，从而对系统的性质进行定性、定量分析，了解系统固有特性。

3）运动控制基础实验。该实验旨在加强学生对倒立摆系统硬件组成及其相关传感器工作原理的认识。通过该实验，建立课本知识与实际被控对象间的关系，并在这一过程中让学生对实际控制对象有一定的初步认识。

4）综合设计实验。实验分别以自动控制原理课程三个核心知识点为基础，设置根轨迹校正实验、频率响应校正实验、PID校正实验，旨在培养学生综合应用课程知识解决实际控制问题的能力，强化学生的工程意识和创新思维。

上述实验内容涵盖了课程的核心知识内容，并建立了与实际被控对象的联系，综合考查了学生运用知识解决实际问题的能力和操作MATLAB仿真软件的能力，达到实践教学环节对学生工程素质能力的培养要求。

4 总结

自动控制原理课程是一门理论性较强的专业课程，涉及的知识内容抽象，学生难以理解。为增强课程实验教学环节的效果，强化学生的工程素质，本文依托便携式倒立摆实验设备，以一般实际控制系统设计步骤为主线，采用PBL教学方法，设计自动控制原理实验教学改革方案。新的实验教学方案贴近工程实际，充分锻炼了学生的实际动手能力和创新思维。该实验教学方法具有较好的可操作性，效果良好。

参考文献

[1]刘宝，任涛，李贞刚.面向工程教育专业认证的自动化国家特色专业改革与建设[J].高等工程教育研究，2016（6）：

48-52.

[2]陆勇.浅谈工程教育专业认证与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]李志义.解析工程教育专业认证的成果导向理念[J].中国高等教育，2014（17）：7-10.

[4]刘昭亚.本科院校工程教育专业认证制度研究[D].安徽：淮北师范大学，2014.

[5]夏静萍，王瑛.工程专业认证背景下的自动控制原理实验教学改革与实践[J].实验技术与管理，2016（2）：159-161，165.endprint