北京
作者
李承霖/福建省廈門雙十中學(xué)
一
研究背景和意義
在國家大力發(fā)展科學(xué)技術(shù)、推動(dòng)拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的背景下，基礎(chǔ)教育越來越重視培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)意識(shí)和創(chuàng)新思維。對(duì)于高中通用技術(shù)，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(fù)雜、控制內(nèi)容較多、實(shí)驗(yàn)教具匱乏等原因，學(xué)生對(duì)于該單元的學(xué)習(xí)和理解存在很多困難。作為高中通用技術(shù)教師，在日常教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)于控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和理解存在很大的困惑，只靠語言和課本，學(xué)生很難掌握“控制”單元的內(nèi)容。
在以創(chuàng)新和實(shí)踐為主的學(xué)科背景下，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式不適合用于該單元的教學(xué)。此外，由于控制系統(tǒng)涉及的數(shù)學(xué)、物理、電子、自動(dòng)化相關(guān)的專業(yè)知識(shí)綜合性較強(qiáng)，而通用技術(shù)教師大多數(shù)是教育學(xué)出身，對(duì)學(xué)生的疑惑往往很難講解清楚。經(jīng)過觀察和統(tǒng)計(jì)，目前“控制”單元的教具數(shù)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(fù)雜、演示過程不直觀等[1-6]。為了解決“控制”單元教學(xué)的難題，筆者結(jié)合自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用多種專業(yè)技能，獨(dú)立研制出了一套適合高中控制系統(tǒng)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)囊括了開環(huán)、閉環(huán)、干擾、反饋等教學(xué)內(nèi)容，為了方便觀察，還在電路中設(shè)置了OLED顯示屏，顯示相關(guān)數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，為了使整個(gè)控制過程形象直觀，還編寫了配套的計(jì)算機(jī)軟件，用于展示控制過程的實(shí)時(shí)運(yùn)行曲線，使控制效果一目了然。
該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)精致美觀小巧，機(jī)械和電路的設(shè)計(jì)安全合理，學(xué)生可直接觀察傳感器、被控對(duì)象、執(zhí)行器、控制器等部件，幫助學(xué)生理解輸入量、輸出量、控制量、干擾等控制系統(tǒng)名詞。通過該實(shí)驗(yàn)裝置，可以提高學(xué)生對(duì)“控制”單元的興趣和學(xué)習(xí)效率，提升教師的課堂效率。
二
制作過程
完整的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)展示和介紹
控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)由5部分構(gòu)成：①12?V可充電鋰電池負(fù)責(zé)為裝置提供電能；②裝置左側(cè)為機(jī)械結(jié)構(gòu)，紅色是指針，由N20電機(jī)和齒輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)；③裝置右側(cè)淺藍(lán)色部分為包含控制芯片的控制主板；④藍(lán)牙模塊可以讓計(jì)算機(jī)控制軟件與裝置進(jìn)行通信；⑤裝置底部為透明亞克力底板，具有支撐和保護(hù)的作用（見圖1）。
圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)
電路部分功能區(qū)主要包含6個(gè)按鍵、3個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕、2個(gè)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(shí)，可以模擬電池電壓下降，每次按下電壓逐漸降低，最低值8.64?V;
● 按鍵2按下時(shí)，可以模擬電池電壓上升，每次按下電壓逐漸升高，最高值17.28?V;
● 按鍵3按下時(shí)，可以切換系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止?fàn)顟B(tài)；
● 按鍵4按下時(shí)，可以切換系統(tǒng)的開始/停止計(jì)時(shí)模式，記錄表針轉(zhuǎn)動(dòng)1圈的時(shí)長；
● 按鍵5按下時(shí)，芯片里的程序重新開始運(yùn)行，系統(tǒng)回到初始狀態(tài)；
● 鈕子開關(guān)按下時(shí)，可以切換系統(tǒng)開環(huán)和閉環(huán)的運(yùn)行模式。
對(duì)于開環(huán)控制系統(tǒng)：旋鈕KP順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，可以增加電機(jī)的轉(zhuǎn)速，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)可以降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，直至停止；旋鈕KI、旋鈕KD此時(shí)不設(shè)功能。
對(duì)于閉環(huán)控制系統(tǒng)，此時(shí)使用的控制算法為PID：旋鈕KP、旋鈕KI、旋鈕KD順時(shí)針旋轉(zhuǎn)可以分別增大P、I、D三個(gè)參數(shù)值，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)減小三個(gè)參數(shù)值，可用于輔助學(xué)習(xí)PID控制算法。
電子電路設(shè)計(jì)
整個(gè)裝置的電路分為控制電路和驅(qū)動(dòng)電路兩部分，設(shè)計(jì)電路使用嘉立創(chuàng)EDA軟件，可自主選擇芯片和元器件型號(hào)，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(shí)器資源豐富（4個(gè)）、IO引腳多（40個(gè)左右）、頻率響應(yīng)快（72?MHz）、體積小巧（1?cm×1?cm）、價(jià)格便宜（5元左右）等諸多優(yōu)勢。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選用RZ7886，電源采用12?V的可充電鋰電池，降壓模塊采用LM2596S-5?V。
編寫芯片控制程序
STM32作為主控芯片，需要編寫相應(yīng)的程序，才能驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的定時(shí)器和IO口正常工作，采用Keil5軟件編寫和調(diào)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(shí)器、OLED顯示屏、LED指示燈、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、PWM波生成、編碼器數(shù)據(jù)讀取、穩(wěn)壓模塊等。
機(jī)械設(shè)計(jì)和材料選購
該實(shí)驗(yàn)裝置三維建模使用SolidWorks軟件，電路、機(jī)械、控制一體化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局，提升設(shè)計(jì)效率。表針轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)使用3D打印PLA材料，底座采用透明亞克力板。
三
輔助控制系統(tǒng)教學(xué)
該實(shí)驗(yàn)裝置可分別演示開環(huán)控制和閉環(huán)控制，對(duì)表針的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，通過模擬干擾對(duì)比二者的控制精度和抗干擾能力，通過OLED屏幕和配套的計(jì)算機(jī)軟件觀察實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)速值和轉(zhuǎn)速變化曲線。
開環(huán)控制系統(tǒng)
開環(huán)控制系統(tǒng)由輸入量（目標(biāo)值）、控制量、輸出量、控制器、執(zhí)行器、被控對(duì)象組成。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，通過鈕子開關(guān)使運(yùn)行模式切換到開環(huán)，此時(shí)在OLED屏幕上顯示“Open”標(biāo)志，在配套的計(jì)算機(jī)軟件上顯示“開環(huán)控制”（圖3）。
圖2 電路板功能展示
圖3 開環(huán)控制OLED屏幕數(shù)據(jù)解析
通過旋鈕KP可以調(diào)節(jié)當(dāng)前的表針轉(zhuǎn)速，根據(jù)選擇的電機(jī)出廠參數(shù)和齒輪齒數(shù)比，在電壓為12?V時(shí)，可粗略計(jì)算出當(dāng)PWM=1?076（滿轉(zhuǎn)為7?200）時(shí)，可將表針的轉(zhuǎn)速控制在150左右，可通過OLED屏幕顯示的實(shí)時(shí)速度和計(jì)算機(jī)軟件的實(shí)時(shí)速度曲線得出這一結(jié)論。
閉環(huán)控制系統(tǒng)
閉環(huán)控制系統(tǒng)由輸入量（目標(biāo)值）、控制量、輸出量、控制器、執(zhí)行器、傳感器、被控對(duì)象組成，與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，多了一個(gè)由傳感器構(gòu)成的反饋通道，可通過一定的算法（本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用了PID控制器）矯正輸出量和目標(biāo)值的偏差。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，通過鈕子開關(guān)使運(yùn)行模式切換到閉環(huán)，此時(shí)在OLED屏幕上顯示“Close”標(biāo)志，在配套的計(jì)算機(jī)軟件上顯示“閉環(huán)控制”（圖4）。
圖4 閉環(huán)控制OLED屏幕數(shù)據(jù)解析
抗干擾能力對(duì)比
控制系統(tǒng)中的干擾是普遍存在的，在整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，電壓會(huì)不可避免地產(chǎn)生波動(dòng)，這是一個(gè)非常典型的干擾。為了對(duì)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(dòng)，當(dāng)按鍵1按下時(shí)，電池電量逐漸下降，當(dāng)按下按鍵2時(shí)，電池電量逐漸上升。
選擇一個(gè)轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)值（比如150），在開環(huán)模式下，通過調(diào)節(jié)KP旋鈕，可以使得速度保持在150附近；在閉環(huán)控制模式下，調(diào)節(jié)KP、KI、KD三個(gè)旋鈕使得參數(shù)值分別為KP=66，KI=8，KD=7，也可以使速度保持在150附近。此時(shí)，通過按鍵1、2模擬電池電量的波動(dòng)，觀察二者的速度變化曲線，如圖7所示。
圖5 轉(zhuǎn)速開環(huán)控制圖
圖6 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制圖
圖7 抗干擾能力對(duì)比實(shí)驗(yàn)
通過表針轉(zhuǎn)速的變化曲線，可以得到如下結(jié)論：由于反饋通道傳感器可實(shí)時(shí)檢測輸出量和輸入量的偏差，進(jìn)而在控制器中進(jìn)行實(shí)時(shí)矯正，因此閉環(huán)控制的抗干擾能力更強(qiáng)。而開環(huán)控制系統(tǒng)的抗干擾能力比較差，當(dāng)擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，不能矯正輸出量和目標(biāo)值之間的誤差。
四
總結(jié)和展望
針對(duì)當(dāng)前通用技術(shù)課程中“控制”系統(tǒng)單元教學(xué)面臨的一系列挑戰(zhàn)，如理論知識(shí)抽象難懂、實(shí)驗(yàn)教具功能不足、實(shí)踐操作機(jī)會(huì)有限、學(xué)生興趣激發(fā)不足等問題，創(chuàng)新性地研發(fā)了一套控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)以表針的轉(zhuǎn)速控制作為核心示例，不僅包含了開環(huán)控制、閉環(huán)控制、干擾分析、反饋機(jī)制等經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容，還通過一系列精心設(shè)計(jì)的功能特性，極大地優(yōu)化了教學(xué)效果。
參考文獻(xiàn)
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該項(xiàng)目獲得第38屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員科技教育創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)■
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來源 | 中國科技教育2025-1
編輯 | 孟想
審校 | 若惜、朱志安
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