基于小车倒立摆的《自动控制原理实验》教学实践

科 技 教 育

①课题来源：国家级新工科研究与实践项目“面向智能无人系统的新型军事人才培养模式探索与实践”；2017湖南省普通高 等学校教学改革研究项目“新工科背景下的控制类各专业实验教学改革探索与实践”。 作者简介：卢惠民(1980—)，男，汉族，福建南平人，博士，副教授，研究方向：机器人视觉、多机器人协同控制、机器人足球、 机器人救援。 薛小波(1979—)，男，汉族，陕西兴平人，硕士，讲师，研究方向：机器人技术、计算机应用。 韦庆(1969—)，男，布依族，贵州惠水人，博士，教授，研究方向：机器人控制。 徐晓红(1966—)，女，汉族，四川江安人，硕士，副教授，研究方向：计算机应用、机器人技术。

DOI：10.16661/ki.1672-3791.2018.23.164

基于小车倒立摆的《自动控制原理实验》教学实践

①

卢惠民 薛小波 韦庆 徐晓红

(国防科技大学智能科学学院 湖南长沙 410073)

摘 要：本文依托小车倒立摆系统开设了《自动控制原理实验》课程的系列设计性、综合性实验项目，通过改革实验教学方法提高有限实验学时的实验效果，通过建设复杂控制系统综合实验项目提高学生运用控制理论解决实际问题的能力，通过改革教学组织模式提高课程组实验教学整体水平，上述措施的综合运用有效提高了本课程的实验教学效果。关键词：小车倒立摆 自动控制原理 实验教学中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2018)08(b)-0164-03Abstract: In this paper, a sereis of designing and comprehensive experiments are introduced based on the cart inverted pendulum system for the course of the experiments of automatic control. By innovating experimental teaching methods, the experimental teaching results are improved within the limited experimental time; by setting comprehensive experiments of complex control system, students’ ability to solve practical problems using control theory is improved; by innovating teaching organizing modes, the teaching ability of the whole teaching group is improved. The experimental teaching results are improved effectively by applying the methods mentioned above comprehensively.

Key Words: Cart Inverted Pendulum; Automatic Control Theory; Experimental Teaching

《自动控制原理实验》课程开设的目的是帮助学员掌握自动控制原理的基本概念、基本的分析与设计方法，培养学生利用自动控制的基本理论分析与解决工程实际问题的思维方式和初步能力，并为学习后续相关专业课程，以及进一步学习和应用自动控制方面的新知识、新技术打下必要基础。具体要求包括：深刻理解自动控制的基本概念、基本理论及其物理意义；学习和掌握控制系统计算机辅助分析与设计的方法、技能；学习和掌握实际控制系统的分析、设计和调试方法。

很多教师分别从实验项目设置[1,2]、实验教学组织[3,4]、实验平台建设[5-7]、实验教学设备[8-10]、教学方法改革[11,12]等多方面探索了本课程的教学改革。本文首先介绍了本课程组基于小车倒立摆系统开设的自动控制原理实验项目，接着分别从实验教学方法、复杂控制系统综合实验项目和教学组织模式等方面介绍了本课程教学实践中的改革与探索。

1 实验项目设置与实验平台

本课程设置以下7项实验项目：

实验1：基于Matlab的控制系统仿真分析基础。

实验2：直线电机一级倒立摆控制系统认知。实验3：直线电机控制系统时域分析。实验4：直线电机PID控制器设计。实验5：直线电机控制系统频域分析。实验6：直线电机串联校正控制器设计。实验7：直线电机一级倒立摆综合控制实验。其中实验1用于训练学生掌握运用Matlab/simulink进行控制系统仿真和分析的基础；实验2使学生熟悉直线电机一级倒立摆控制系统实验平台的软硬件环境和工作原理；实验3和实验5分别为从时域和频域对控制系统进行参数测量、辨识与建模实验；实验4和实验6为直线电机控制系统控制器设计实验；前6个实验主要涉及直线电机的建模、分析与设计，实验7在直线电机基础上加了摆杆，要求通过控制使摆杆倒立，是综合性复杂控制系统实验项目，训练学生综合运用所学自动控制原理知识的能力。

所有实验项目完全基于直线电机-倒立摆实验平台这样一套实验系统，整个教学内容基于同一系统循序渐进地开展实施，降低了学生熟悉实验装置的难度。此外，在课

堂教学中将实验装置作为实例进行讲解，将实验教学与课堂理论教学更好地相结合，有效地加强了课堂教学和实验教学的联系，可更加充分地发挥实验教学的作用。该实验平台如图1所示。

2 教学实践改革

课程组在开展本课程教学实践的过程中，分别通过改革实验教学方法、建设复杂控制系统综合实验项目和改革教学组织模式等，有效提高了实验教学效果。

2.1 实验教学方法上的改革

在教学方法上，理顺了教学环节，提高了教学实施的科学性和有效性。课程组强调学生的实验准备，以提高有限实验学时的实验效果。课程组建设了与实验项目相配套的基于计算机辅助分析与设计工具的仿真系统及软件，要求学生在课前完成实验预习和仿真分析设计，课中完成实际操作和调试，课后完成实验数据的分析处理、实验报告撰写等。根据该理念，成绩评定方式设置为：操作技能占40%，实验报告占60%，其中操作技能部分通过实验结果验收或学生的现场简单答辩来评定相应分数；实验报告含实验预习、仿真分析设计、实验结果和分析，主要考察学生对实验的设计能力、对数据的分析处理能力和对结果的归纳总结能力。此外，在实验教学过程中，课程组对学生的实验数据真实性做了严格要求和仔细检查，以培养学生严谨的学术态度。

2.2 复杂控制系统综合实验项目的建设

课程组经过多次试验调试和深入研究，开设了基于经典控制理论的直线电机一级倒立摆控制系统设计实验，该实验作为复杂控制系统综合实验，可培养学生使用控制理论解决实际问题的能力，进一步促使学生掌握和巩固控制系统实现的一般过程：建模—分析—设计—实现。该实验具体设置如下。

实验名称：基于根轨迹的直线电机一级倒立摆控制器设计。

实验目的与任务：

(1)掌握基于根轨迹的复杂高阶系统的控制器设计方法。

(2)掌握实际复杂控制系统的调试方法，提高实践动手能力。

实验原理：

直线电机一级倒立摆的数学模型是高阶复杂系统。根据系统特点把该复杂系统分解为摆杆角度控制回路（内环）和电机位置控制回路（外环），经过有效简化，两个回路都可以近似为二阶系统，然后采用串联校正控制器设计方法，按照先内环后外环的顺序设计直线电机一级倒立摆控制器。

通过该综合性实验，学生巩固了控制系统的数学建模、基于Matlab的控制系统模型的建立、使用Matlab进行控制系统分析和设计、基于根轨迹的控制器设计等知识和技能，学会了实际系统中负反馈的判别方法和不易判别的原因，提高了实验调试技能。

2.3 教学组织模式上的改革

课程组建立了共同备课制度，制定合理的实验教学计划和课程考核方式方法，确保了本课程的教学质量；组织了实验教学示范课，培训新参与本实验课程教学的教师；建立和完善了课程组内部的定期研讨交流制度；建立了新任课教师的试讲制度，要求新教师承担教学任务前必须跟课。课程组确立了《自动控制原理》课程主讲教师为实验教学第一负责人的制度，与实验教师共同指导实验教学，因此主讲教师更加了解实验，实验教师也得到了理论提

升，有效地加强了课堂教学和实验教学的联系。

图1 直线电机-倒立摆实验平台

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