开闭环控制教学案例引入“自动控制原理”的应用与实践

摘要：自动控制原理这门课程不仅是自动化专业的基础必修课，也是其他众多专业的基础理论课。开、闭环控制更是控制理论中必须掌握的基础概念，基于控制原理这门课程实践性强的突出特点，将开闭环控制设计成一个趣味性教学案例，并引入到自动控制原理第二课堂的教学过程，通过实际的实验仿真及实践操作，让学生不仅在实践中学会这一理论，更培养了学生的实践和团队合作意识。

关键词：开闭环控制；教学案例；自动控制原理；实验仿真；实践

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）11-0141-02

一、引言

现如今，控制理论成为探索各种新技术、新领域的重要工具，而作为其重要的依托单元自动控制原理这门课程，在学生的学习生活中也承担了重要角色。自动控制原理这门课程不仅是自动化专业的专业基础必修课，也是其他众多专业的基础理论课，机械专业、测试与控制专业、电气专业等许多学科目前都将其作为本专业重点学习课程[1]。

“自动控制原理”课程的一个突出特点就是与生产实际联系紧密、实践性强。机械、电气专业的学生学习本课程时一般都经过“理论实习”和“实践实习”等教学环节，课堂学习往往停留在理论化、理想化甚至教条化的层面，对专业知识的理解很难深入和到位，要想把本课程的理论知识寓于实践，必须开设相应的第二课堂学习，充分发挥教师的主观能动性，引导学生结合实践实际进行操作。而案例教学是发挥教师主观能动性的一个主要途径。

在此次教学的过程中引入开闭环控制系统研究实例结合进行仿真模拟实验帮助同学更深入地学习控制原理这门课程，在这基础上我们研制了开闭环控制智能车实验平台，并开设了相关内容的实验操作课，既有物理性模拟实验，又有数值仿真实验，通过模拟实验及仿真实验使学生从理论的感性认识，升华至实践操作的理性认识，提高学生的实践能力。

二、设计教学实例实验步骤

（一）确定教学课题

如下图所示为该智能车的整体系统结构展示，由机械模块、电气模块和执行模块等部分组成[2]。助老服务智能车的系统结构如图1所示。

（二）针对所研究课题提出问题

控制类：机械运动中的控制技术。课题基础：运动学，物理学，数学描述。引言：你知道智能助老服务车会如何稳定运转的，除基础的机械结构外，它是如何利用开闭环控制理论实现智能车的控制的？

课题目标：通过实验研究解决该助老智能车是如何利用开闭环控制系统进行工作的，并通过实验结果比较开闭环控制系统的工作原理区别及其它们的优缺点。

（三）案例教学环节的设计

1.课题分组：根据课题情况对学生进行分组，将学生分成4个独立小组，其中两组负责开环控制仿真实验，另外两组负责闭环控制仿真实验，每个组大约有5人，由组长给每个组员分配任务，分配原则尽量使每个组员都有参与感，参与到该实验环节的全部过程中。组员对自己负责的任务进行规划，写一份简短的报告，对自己的任务进行一下认识与总结，协助对方完成项目设计。组长召开项目交流会，串联整个实验过程。

2.分工与合作：之前已经对整个实验方案进行了确定，现在将实验分成了开环实验与闭环实验组，两个实验有相同之处，所以4个小组进行试验交流，对实验问题进行分析，发表个人观点。最后确定仿真实验步骤。

3.进行仿真实验：根据之前的课题要求，开闭环系统的教学实例需要进行仿真实验，得出实验结果，对研究工作进行验证。

三、展开课题实验研究

（一）开闭环系统框图描述

上面我们已经了解到智能车的基本结构，在智能车工作时驱动模块在主控制板的作用下直接驱动直流电机，进而对车的转速进行控制，其不具备自动修正的能力。因此开环实验组画开环系统的结构框图如下：

将智能车的开环控制驱动板板用智能闭环驱动模块代替，直流电机的输出转速数值通过直流编码器反馈给智能闭环驱动板，形成闭环参与控制的控制方式。由此闭环实验组画出闭环系统的结构框图如下：

（二）实验数据设置及教学实验

需要对智能驱动板的PID参数和梯形图参数进行设置，利用LABVIEW编写上位机，结合闭环驱动板对PID参数和梯形图参数进行设置，对P，I，D三个参数进行调整，使直流电机的运行完全按照程序设定进行运转，最终使控制参数值达到最优值[3]。

（三）归纳总结实验结果

1.开闭环工作原理：在开环控制中驱动模块在主控制板的作用下直接驱动直流电机，进而对车的转速进行控制；闭环控制中编码器实时地测出直流电机的转速，并将转速准确地反馈给闭环驱动板，系统通过反馈作用使电机的输出转速恢复到正常的期望值上。

2.开闭环控制转速对比：但是开环的速度一直是恒定值，所以开环控制是通过计数车轮的转数来计算轮速的；而闭环控制实验中的车轮速度的变化先加速中间匀速过渡最后减速，所以闭环控制是通过速度来计算行进距离的。

3.开闭环控制的优缺点：智能车在无反馈系统控制下，行进距离远高于预设距离，而智能车在反馈系统控制下，行进距离与预设距离相差不大，闭环控制误明显优于开环设计；但是开环控制结果十分稳定，所测的行进距离误差值在一个非常稳定的范围内，这说明开环系统是非常稳定的，但是控制精度远不如闭环控制。

四、加强案例实践教学的必要性

（一）案例教学具有现实意义

控制原理作为专业基础课，将其理论知识与实际系统设计的实践知识相结合是学好这门课程的关键。而如何将理论知识与实际实践相结合对教师来说是一个难点。

在控制原理课程中引入“案例式”教学有其必要性和有效性。首先，案例教学是对现实问题的模拟与解答，这在控制原理教学中及其重要。现有教科书中的习题都是高度抽象好了的模型，而如何从现实问题中提炼出模型并解决问题恰恰是控制原理教学应该重视的问题。实践意识的培养和实践素质的提高，对学生今后的学习和工作都将受益无穷。

（二）教学案例成功与坚持

学生如是说：开闭环控制的案例完成十分辛苦，不仅需要我们团队合作，更需要我们对实际操作能力的熟练把握，但是我们感到与枯燥的课堂相比，我们收获知识的同时快乐并有成就感。

案例教学实现的难度很大，首先它不仅需要教师和学生的精诚合作，还需要反复的实践交流和共同讨论，现场实际操作，导致学生和老师在整个过程中产生惰性。但不否定，案例教学比纯理论教学的确有不可比拟的优势，寓教于乐的实际实践比枯燥乏味的纯理论学习更加具有趣味性。

五、结语

如何使教师与学生之间充分沟通，如何使控制原理让学生可以充分理解并应用于实际，是所有教学工作中的一个难点。

由于案例教学实践起来十分困难，不仅对于教师需要协调整个实践过程，对于学生来说后期的准备也是很麻烦的，所以案例教学的坚持是案例教学得以延续的一个重点。学生和老师必须克服惰性，才能使学生真正的将控制原理乃至其他实践性强的课学好学扎实[4]。

参考文献：

[1]范兴刚，徐新黎，王万良.“自动控制原理”国家精品资源共享课程建设[J].电气电子教学学报，2014，（02）：17-26.

[2]李国晗，赵建伟，王洪燕，唐兵.基于复合滤波算法的服务机器人避障实验研究[J].2015，（2）：5.

[3]聂春燕，吉淑娇.基于LabVIEW的《自动控制原理》教学平台设计与实现[J].长春大学学报，2012，（08）：923-925.

[4]刘凤春，陈希有，牟宪民.“电工技术”课程工程教学案例设计实例[J].电气电子教学学报，2013，（01）：25-28.