项目驱动教学在“自动控制理论”课程中的应用

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 项目驱动教学在“自动控制理论”课程 中的应用 摘 要：文章以实例论述了项目 驱动模式在“ 自动控制理论 ”课程中的探 索和应用。通过项目驱动教学实现授课 理论与实践的有效结合，帮助学生透彻 理解反馈控制思想和 PID 控制的原理， 提高学生分析和解决问题的实践能力， 并有利于培养学生的团队合作精神。 中国论文网 /1/view-13043313.htm 关键词：项目驱动教学；自动控 制理论；转向控制系统 中图分类号：G642.3 文献标识 码：A 文章编号：1002-4107（2018） 06-0031-02 高校理工科专业的教学模式一般 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 以教师授课为主，在理论结合实际应用 和创新能力培养上相对薄弱一些，作为 学生一般是被动地接受知识，对知识点 的掌握程度，往往依赖学生自身的理解 能力和所下功夫，特别是理论性相对较 强的学科，如果授课模式相对单一，所 举案例又与实际应用存在一定差距，就 会加大学生对理论知识的理解难度，出 现缺乏学习兴趣的情况，会影响到教学 质量，造成学生在基础学科上掌握不够 牢固，还会影响到后续学科的学习，甚 至衍变成应试教育1。专业基础课不仅 仅是专业课程学习的基础，它与工程实 践应用也结合得较为紧密，如果能够在 教学中实现与实际应用的有机结合，让 学生提高学习兴趣，加深理解，就会产 生更好的教学效果2。针对这种情况， 笔者在“自动控制理论 ”课程中尝试开展 了“项目驱动教学 ”模式的探索和实践， 把它作为传统课堂授课的有机补充，通 过两年多的摸索、研究和实践，取得了 不错的教学效果。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 一、项目驱动教学综述 项目驱动教学相对于传统课堂授 课模式，是一种行为引导式的教学方式 3。在教学过程中，教师针对所教授的 课程内容，选取合适的项目或案例作为 教学载体和教学主轴，把学生所需掌握 的知识点融入到项目的各个环节中，组 织学生成为项目的实施主体，授课教师 总体把控和引导项目的开展，并围绕项 目开展实施教学活动。学生参与项目分 析、方案制定、软硬件设计、调试试验 的整个过程，这样就可以在课堂教学中 将理论与实践有机结合，学生的学习过 程也不再是被动接受，而是需要积极参 与。为了完成既定目标，在项目实施过 程中，学生需要开动脑筋发现问题，并 找出解决问题的思路和方法，在项目进 展过程中，熟悉和掌握项目中所蕴含的 各种知识点，并且能够让学生体验到成 功解决问题后的成就感，对提高学生的 学习兴趣和积极性有着正面的促进作用。 在提高学生动手实践能力的同时，也培 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 养和增强了学生行动自信力和团队合作 精神4。 项目驱动教学有别于传统课堂授 课教学模式，有着相对生动灵活、不拘 多样的特点，教师可以针对课程内容及 知识构成特点，灵活机动地选取适宜项 目或案例开展教学活动，与课堂的理论 授课有机融合施教，并通过教学实践逐 步积累、修订和完善，并最终纳入学科 教学大纲中。 二、 “自动控制理论” 课程项目驱 动教学法实例应用 “自动控制原理 ”课程主要教授控 制系统分析与设计的基础知识，包括控 制系统建模、控制系统的稳定性、稳态 性能和动态性能以及控制系统校正与设 计等。通过本课程的学习，主要使学生 了解并掌握分析和设计自动控制系统的 基本理论知识和方法，并能够较熟悉使 用 Matlab 等软件进行系统设计仿真与 计算，为后续相关课程的学习奠定基础。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 （一）项目驱动教学目标 “自动控制原理 ”是电气工程及其 自动化专业的专业必修课，其理论性知 识点较多，且概念较抽象，但该课程实 际上与工程应用联系较为紧密，且是后 续专业课学习的一门重要基础科目。多 年来，该课程一般采用“ 课堂教授 +验证 性实验”的教学方法 5，学生即使掌握 了本课程要求的基本概念、基本数据等， 也较难将课堂所讲的理论知识与工程实 际相联系，缺乏用控制理论来解决实际 问题的应用。 基于以上情况，选择“自动控制 原理”课程来实施项目驱动教学模式的 探索和实践。针对“ 自动控制原理 ”课程 中的控制系统数学模型建立、控制系统 的校正与设计等方面的重要知识点，选 取一个或多个合适项目或案 例，通过系统分析、软硬件设计、 Matlab 软件仿真等，使学生更好地掌握 相关知识点。 在项目实施过程中，将学生分成 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 几个项目小组同步开展，并推选项目小 组长负责本小组课题活动。学生可通过 查找文献、上网搜索等不同的方式来搜 集相关资料，教师对重要知识点和关键 过程进行讲解和引导，并 随时掌握各小组的进展情况。 （二）项目概要及要求 针对“ 自动控制原理 ”课程教学目 标，在此以“ 车轮转向 PID 控制系统”为 例，简要介绍项目驱动教学方法。 车轮转向控制在工业领域应用非 常广泛，由于其具有工况复杂、参数多 变、运行惯性大、控制滞后等特点，它 对控制调节器要求较高。因此该项目能 体现自动控制理论的教学目标，并提高 了学生的工程实践能力和综合素质。 为了达到好的转向效果，应对电 机有一个良好的转向驱动方式。转向给 定值由人工设定，控制器根据步进电机 转角的变化自动调整转向。为此结合控 制要求，设计技术参数确定为： 1.电机步进角为 1.5 度，转角都 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 保持在-90，+90变化。 2.空载起动到额定转向时的转向 超调量 n10%。 3.根据不同的路况能自 动调整目标转向。 （三）项目总体分析及控制器方 案确定 对车轮转向 PID 控制系统设计要 求进行分析，建立系统组成控制框图， 确定系统硬件结构，并确定 PID 控制器 方案。通过本部分的实施，可以培养学 生系统分析和 PID 控制器设计能力。 教师引导学生，对车轮转向驱动 系统进行分析，建立驱动系统的控制框 D，如图 1 所示。整个控制系统为 Arduino 作为控制处理器；通过电位器 检测转向角，电位器信号通过 A/D 进入 处理器，与设定的目标值比较得到误差； 误差作为输入经过数字 PID 运算得到控 制量，该控制量通过 D/A 输出给步进电 机驱动器，通过电机驱动车轮转向，从 而达到设定的目标值。 为了使 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 学生更加直观地了解控制系统的组成和 原理，控制系统采用简单易学的 Arduino 实现，学生可以在较短时间内 完成系统的搭建。 图 1 转向系统控制框图 （四）项目软硬件设计 确定系统硬件结构后，接下来设 计系统的软件和硬件部分。每个项目小 组按照项目的内容和成员的特长进行分 工，明确每个成员的职责和任务。硬件 电路的设计主要有：1.电气电路的设计， 主要完成主电路和驱动控制器；2.转角 测量电路设计，选择电位器将检测反馈 回的信号进行 A/D 转换；3.转向 PID 调 节器设计，实现转向自动控制；4.电源 管理设计，主要完成向 Arduino 控制器 和电机驱动模块提供控制电压。根据以 上组成部分的特点及要求，结合学生对 系统的理解程度，画出相应的电路图， 最后把各部分的硬件电路整合起来。 车轮转向 PID 控制系统采用 Arduino 进行数字转向控制，数字 PID -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 调节器等直接用程序实现控制，这些环 节可以由不同的学生独立编程完成。各 环节程序完成后，再设计系统的主程序 和中断程序，这部分内容由大家集体完 成。 （五）项目调试、仿真及运行 对车轮转向 PID 控制系统进行系 统调试，并通过 Matlab 软件建模进行 仿真实验，得到优化 PID 控制器参数， 最后进行在线运行控制。通过本部分的 实施，培养了学生数学模型建立、 Matlab 仿真和系统调试的能力。 1.系统调试。系统硬件装配完之 后，先对系统进行硬件调试，接下来进 行联机调试，在调试过程中，不仅要检 查硬件问题，还要检查软件问题。在检 查硬件没有问题后，再结合硬件修改软 件程序，逐步检查问题，直到调试出结 果。这个过程需要小组成员的协作，共 同完成。 2.建模及仿真。系统调试成功后， 对车轮转向驱动系统施加不同的输入控 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 制信号，可得到转向的输出信号，从而 对车轮进行数学模型建立，得到控制系 统传递函数。根据得到的传递函数，运 用 Matlab 仿真软件进行仿真实验，得 到 PID 控制器的参数。 图 2 是 PID 参数设定后运行性能 比较，电位器转向角度数据的仿真实验， T=0.5S，KP=0.7，Ti=600s，Td=0.1S 时， 控制效果比较好。 3.运行及校验。在程序中给定车 轮的期望转向角 度，将仿真结果得到的 PID 控制 器参数写入程序中，在线对系统进行控 制。通过观察 Arduino 监视器的车轮转 向结果，确定控制的效果是否达到要求。 如果没有达到，或者性能指标不好，分 析原因，并找出解决方法。 （六）项目总结研讨及答疑讲解 各小组完成项目后要提交总结报 告，授课教师组织各小组全体学生开展 本次项目驱动教学的总结研讨活动，活 动内容主要包括：各小组代表做项目汇 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 报及项目成果展示；各小组总结项目实 施过程中遇到的关键问题及解决方案； 授课教师针对疑难问