广州软件学院，广东 广州

收稿日期：2021年11月8日；录用日期：2021年12月16日；发布日期：2021年12月23日

摘要

“自动控制原理课程设计”是一门非常重要的实践课程，旨在将经典控理论与实际工程项目相结合。针对目前自动控制原理课程设计大多借助Matlab进行模拟仿真而与实际工程项目脱离的问题，文章对自动控制原理课程设计进行了改革与创新，设计了一种风板控制系统，利用风机吹出的风力使风板保持在给定角度。该系统包含了单片机技术、传感器技术、自动控制原理等多学门学科技术，实践操作性强，是自动控制原理理论课程很好的实践环节。

关键词

自动控制原理课程设计，Matlab，风板系统

Automation Control Principle Course Design Based on Wind Plate System

Xiaoyan Yang

Software Engineering Institute of Guangzhou, Guangzhou Guangdong

Received: Nov. 8^th, 2021; accepted: Dec. 16^th, 2021; published: Dec. 23^rd, 2021

ABSTRACT

“Automatic Control Principle Course Design” is a very important practical course, which aims to combine classical control theory with practical engineering projects. In view of the problem that most of the current course design of automatic control principle is separated from the actual project by using Matlab simulation, this paper has carried on reform and innovation to the course design of automatic control principle, and designed a kind of wind plate control system, which makes use of the wind blown out by the fan to keep the wind plate at a given Angle. The system includes SCM technology, sensor technology, automatic control principle and other disciplines technology; practical operation is strong; it is a good practice of the theory of automatic control course.

Keywords:Automation Control Principle Course Design, Matlab, Plate System

Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

创新实践能力是学生与社会工作需求有效结合的前提和保障，从培养体系到教学模式都广受教育界及企业的关注 [1] [2] [3]。自动控制原理课程设计是自动化专业实践教学中非常重要的一个环节，通过课程设计，将理论知识和实际技术相结合，加深学生对理论知识的理解，对增强学生动手实践能力、提高自动化专业整体教学水平、新工科背景下人才技能培养新要求等方面起着至关重要的作用 [4] [5] [6]。

2. 自动控制原理课程设计现状分析

就广州软件学院自动化专业办学特点来讲，其专业实践教学体系包括课程设计、毕业实习、毕业设计及生产实习，其中课程设计包括自动控制原理课程设计、PLC课程设计、智能控制课程设计及过程控制课程设计，如图1所示。

图1. 自动化专业实践教学体系图

目前，自动控制原理课程设计一般安排在实验课中完成，即最后两周的实验课为课程设计，设计内容主要为基于Matlab的系统校正，包括串接超前校正，滞后校正，PID综合校正等，以matlab仿真来完成给定系统的校正或通过P、I、D参数的设定使系统得到良好的响应曲线。用软件仿真的一大优点就是把大量的推导设计与图形绘制，利用M程序语言实现，同时可以在Simulink中利用模块组建模型，修改参数，进行动态系统仿真运行，纯软件仿真模型搭建快，数据设置修改方便，并且仿真结果分析方便准确，有利于进行理论分析，缺点是建模时把系统想化，未考虑到实际系统运行的一些情况，比如摩擦、响应滞后、干扰等，因此与系统运行时的状态不太相符，另外纯软件仿真极大的限制了学生实践动手能力、创新能力以及综合应用能力的培养，让学生产生学而不知如何用的矛盾，不符合新工科背景下对学生应用实践能力培养的要求。因此必须对《自动控制原理课程设计》进行改革，在理论内容丰富的自控课程中，探讨如何借助自动控制原理课程设计将书本上的知识活学活用，将深奥的理论知识具体化，提高学生的动手能力以及实践创新意识，形成一套理论与实践有机结合的课程设计新方法。

3. 创新课程设计系统

在新工科对提高学生动手能力的背景下，对自动控制原理课程设计进行了改革，即将经典控制理论与实际工程项目相结合，本文设计了一套风板控制系统，主要以STM32F103为控制核心，包括线性电位器的角度传感器，8 cm排风扇，步进电机滑台系统，该套系统融合了传感器技术、单片机控制技术、PID等多种闭环控制调节算法。风板控制系统简单、直观，可操作性强，具有一定的趣味性，可根据学生能力增加控制功能和精度，适合于不同层次的学生。

3.1. 系统硬件设计

此次设计的风板控制系统能将风板稳定在预定角度，并实时显示风板角度值等功能，结构框图如图2所示。风板系统主要包括一个悬挂在转轴上的风板(可旋转0~90度)，传感器模块，风扇驱动模块，步进电机驱动模块，单片机控制系统和人机交互模块(液晶屏显示模块、红外控制模块)。

图2. 风板控制系统结构框图

系统整体算法如图3所示。通过单片机ADC采样，获取电位器的电压值并转换为数字量，经过单片机内部处理公式拟合得到对应的函数表达式，实现帆板转动角度实时显示的功能，再由红外控制进行角度输入、控制滑台步进等操作，转换电路把接收到的模拟信号转换成数字信号，经过MCU处旋转角度，利用MCU内部12位高速ADC对处理过的传感器利用PWM控制风扇风速，PID控制算法控制帆板的角度变化。整体算法确定后，通过方案论证与比较，最终确定风板系统的硬件，选择8 cm排风扇，额定工作电压12 V，额定工作电流2.5 A，价格稍贵一点，风力很强，风速很稳定，方便控制。驱动选择L298直流电机驱动，其驱动自带光耦保护，支持7 A的大电流输入，完全能够用于调速所使用的排风扇。采用STM32单片机内部的12位ADC，用单片机直接采集电压采样，简化外围电路设计，增强系统的可靠性，足以满足本次设计的需求。采用STM32F103，具有12位内部ADC，同时IO很多，可以进行很多的扩展，并且处理速度较快，同时采用库函数方式编辑，容易操作也可移植性很强。清单如表1所示。

图3. 系统整体算法

表1. 风板系统硬件清单

3.2. 系统软件设计

系统软件设计包括单片机软件部分和计算机控制策略，算法如图4所示。单片机上电后，接收计算机发送的数据，设定PWM参数并产生对应的PWM波，用PWM波控制L298电机的转速，产生的风力使风板发生偏移，从而改变电位器，采集输出信号并将信号送入A/D转换器，模拟量转化为数字量送到显示电路由液晶显示数据，并将输出信号传给上位机，与给定值进行不断比较，如有偏差则给出合适的PWM参数，与风扇转速构成反馈系统，控制风扇转速来控制帆板的角度。

本系统根据下位机传回的角度采用PID算法调节PWM的占空比，主要用到了Matlab.m文件中的函数：

function PWM = Control-function(angle)

上式中，PWM为发给下位机的PWM波的值，angle是设定的角度值，该函数将角度值经过相应的控制策略，如PID算法、线性控制算法、非线性控制算法等，转换为PWM占空比，达到控制风板角度的目的，本文主要采用PID算法。

图4. 系统软件设计算法

3.3. 系统测试

当完成控制器整体的硬件设计以及软件编程之后，即可对系统各个部分的功能进行调试和测验。在进行调试时，对整个控制系统的各个部分进行相关的测试验证，得出结果，看是否符合设计要求。风板系统实物图如图5所示。

图5. 风板系统实物图

为了验证系统的稳定性和快速性，设置了不同的角度值，测量结果如表2所示。

从表2中可以看出，此次的误差符合设计要求标准：当系统稳定之后，系统稳态值与设定值误差最大不过2度，稳定性好，快速由一个设定值到另一个设定值，过渡时间短。

表2. 风板系统测量结果

4. 总结

针对传统自动控制原理课程设计过于依赖模拟仿真，不利于提高学生实践能力的增强的问题，本文设计了一套理论与实践相结合风板控制系统，该系统既可以在单片机上完成命令操作，也可以在计算机Matlab软件中进行编写程序，并且可扩展性强，可提出不同难度的控制要求，适合不同层次的学生，符合新工科背景下对人才实践能力培养的模式。

基金项目

广州软件学院质量工程项目(JYJG202104)。

文章引用

阳小燕. 基于风板系统的自动控制原理课程设计
Automation Control Principle Course Design Based on Wind Plate System[J]. 创新教育研究, 2021, 09(06): 1849-1854. https://doi.org/10.12677/CES.2021.96309

参考文献