基于应用型本科的运动控制实践教程探索

黄捷　陈春

摘 要 运动控制是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，让终端执行器按照预期轨迹和规定运动参数完成相应动作。在运动控制课程及配套的实践教程编写上，特别是适用于应用型本科学生的教程，需要就通用性、实用性、预见性加以很好的规划，使得学生在掌握各类控制对象的使用与设置后，对于运动控制课程的学习、实践开展及初步工程应用等方面，能够独立解决实际问题。在介绍常见运动控制实践课程的基础上，结合学生具体情况，详细介绍了实践课程的开设思路及规划，对于学生课程结束后的期望，最终能够达到的一个目标，最后结合近几年实践的效果等进行小结。

关键词 应用型本科 运动控制 教程探索

中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.09.022

Exploration of Motion Control Practice Course based on

Applied Undergraduate

HUANG Jie， CHEN Chun

（Sanjiang University， Nanjing， Jiangsu 210012）

Abstract Motion control is the real-time control and management of the position and speed of mechanical moving parts， so that the terminal executor can perform the corresponding actions according to the desired trajectory and the prescribed motion parameters. In the course of motion control and supporting the practice of the tutorial preparation， and is especially suitable for the application type undergraduate tutorial， need versatility， practicality and foresight to good planning， make the students master the use and set up all kinds of control objects， for study and practice of motion control curriculum development and preliminary engineering application， to solve the problems independently. Based on the introduction of common motion control practice teaching， combined with the specific conditions of the students， introduces the open plan and practice courses， courses for students after the end of expectations， eventually to a goal， finally summary in recent years with the effect of practice etc.

Keywords applied undergraduate colleges； motion control； tutorial exploration

0 引言

运动控制课程具有综合应用性、工程实践性强的特点：综合了电气、电子、计算机、机械、控制理论等学科知识，工程应用广泛，涵盖了国民经济的各个领域。

应用型人才的培养，就是要以能力为中心，以培养技术应用型专门人才为目标的。我校重视学生实践能力和创新、创业能力的培养，突出实践教学，加强实验实训基地的建设，努力为地方经济建设和社会发展培养高素质的应用型人才。

“运动控制”实践课程，作为电气及控制相关专业的必修课，教学计划在大学三年级开始教授，作为理论的实践者，除了掌握控制理论的基础知识、控制系统的组成、控制系统的设计、整体系统调试等内容都是结合实际情况完成的，在完成运动控制实践的内容后，会对以后的学习、就业实践及具体的工程应用显得尤为重要。

本文首先介绍实践课程开展的基本系统组成，在此基础上介绍课程开设的思路及规划内容，再由浅入深地介绍运动控制是如何应用在实际生活中的，对于特殊的工程应用领域，如何分步骤开展项目，阶段测试，最终联调等内容，最后进行整体小结。

1 运动控制实践课的基本系统组成

X轴Y轴二维控制平台，是最能体现现代运动控制的对象，是许多机电一体化系统的基本组成部分，在数控设备例如车、铣、钻、激光切割等领域，都有所应用。固高科技面向一线制造行业和高校开发的GXY系列X-Y工作平台，采用工业化制造标准设计制造，结合先进的模块化设计思想，其产品可广泛应用于焊接、喷漆、点胶、冲孔、打包、剪切等领域，特别是各类数控及精密位置控制设备的研究开发，以及高校相关专业的机电传动控制、计算机自动控制系统、机械控制工程以及数控加工技术等专业领域的研究与教学实践。

1.1 X-Y平台组成

一套完整的X-Y平台系统主要由以下部分组成，见图 1：

①控制對象，XY平台机械本体；②电控柜；③计算机。

学生在计算机上通过平台控制软件，将要发送的指令通过机器代码转换，经电控柜转化为实际的控制信号，再进过传输线路传送给机械本体的具体执行部件；反馈的信号由反馈元件采集，通过电控箱返回传送回计算机，并通过软件的算法转化为PC机可视的数据、曲线、图像等，在显示终端上显示出来。endprint

控制部分的内容，采用基于计算机与DSP运动控制器的开放式体系，主要由计算机、运动控制板卡、电控箱、运动控制器、执行电机及相关软件组成。

控制系统示意图，如图2所示。

图2 X-Y平台控制系统示意图

1.2 运动控制实践规划体系

在主要以运动控制卡为基础的计算机实验装置，现代运动控制实践内容规划体系如图3。

在以工业控制标准设置的平台基础上，我们可以在课程实验、课程设计、毕业设计以及相关工业控制项目的基础上，继续发挥创新创造性思维，结合生产实际并紧密联系生活，与教师及制造企业相互交流，在生产中就产生的相关问题付诸行动，采用国产设备，不断拓展装备制造业领域，提升我国的装备制造业综合水平。

2 运动控制实践课程的开设

专业课的开设如何适应应用型本科教育，如何在应用上取得相应的成绩？结合学校提出的发展应用型教育，培养应用型人才，建设应用型大学的办学指导思想，高度重视并牢固树立实践教学在应用型人才培养中的重要地位；强调树立实践教学与理论教学并重，更重视实践教学；能力提高与知识传授并重，更重视能力的提高；素质教育与专业培养并重，更重视素质教育。

在三并重的教学工作思路引导下，实践、应用与创新的三结合教学思路，课程在开设的过程中，充分考虑要以学生为主体，教师为主导，课程的内容在设置过程中，充分考虑了学生的层次及接受能力，分为四种类型的教程，因材施教分流培养，在传授知识的同时，积极培养学生的实际及实践动手能力，积极引导学生培养创新意识，提升个人的综合素质，达到培养应用型人才创新的目的。

2.1 课程设置内容规划

课程内容在设置上，也考虑到要以培养学生的工程实践能力和创新实践能力为核心，深化实践教学和课程体系改革，构建以能力培养为主线，分层次多模块的实验体系，构建基础型、提高型、创新型实验、项目实践型内容四个层次；通过独立实验，课内实验、课程设计、综合训练与实习等多种形式不同学时的培养体系。

实践内容首先从认知实验开始，结合从古至今案例，讲解运动控制是如何从无到有发展起来的，从地动仪到雷达控制，从火箭等航天器的运行控制，到工业机器人的综合应用，结合挂图、视频等内容，让学生有一个初步的运动控制概念。

再结合理论知识，把我们的测试平台系统结构、平台组成、系统连线、基础维护等内容对学生展开初步讲解，就工业级的控制器、运动控制板卡、计算机等如何构成一个基础的系统，进行由内而外的分段讲解，结合实物的电控单元、运动控制部分、位置检测及反馈机制、软件对硬件的控制等，连贯讲解透彻，让学生能够将理论与实践对象结合起来。

第三步，将基本的器件进行实物讲解，例如联轴器、丝杠、导轨、步进电机、交流伺服电机、控制器、光栅尺、编码器等，从不认识到基本了解，再到基本掌握选型等内容，在后续的实践内容中，学生还有专项训练。

紧接着进行后续的再次认知，对前期罗列出的内容进行巩固记忆。同时演示直线倒立摆的实验内容、四自由度工业机器人搬运物体实验、磁悬浮铁球控制实验。通过再讲解，对这些例程中运用到的知识反过来，从理论中寻找答案，这对激发学生的学习兴趣非常重要。

随后的进阶内容就此展开，实验平台的初步调试、单轴PID控制对比、运动控制之速度规划、插补原理及实现方式对比测试、数控G代码初步编程、反向间隙及电子齿轮控制、某类型变频器控制、双闭环不可逆直流调速系统测试。依次按照由浅入深的课程设置，完成相应内容。

在基础型实验完成后，学生对于系统平台的操作、测试都有所掌握，紧接着就可以完成提高型实验。结合设计，将VB、VC机器语言介绍给学生，在有着基础C语言课程学习的前提下，完成运动控制板卡的基础控制界面开发，能够实现基本执行器的简单控制，同时，思考指令的调用、界面的合理开发、精度的控制等内容。在此基础上，还可以完成单片机对于步进电机的控制操作内容，某定位模块的初步联调应用，基于变频器与可编程控制器的单闭环PID控制等有一定难度提高的内容。

完成了提高型的内容后，学生就可以结合自身的爱好及控制操作，试着完成运动控制的创新型实践内容。例如运动控制平台的综合VB开发及应用，结合现有的平台系统，将运动控制器的性能、执行电机的选型、两者参数匹配、方案设计与实施、语言的运用、动态链接库的接入环境、系统开发及编程调试、综合测试结果校验、最终的程序清单等。在此基础上，还可以进行基于VC的运动控制卡开发综合应用、步进电机的驱动器设计与研究、基于现场总线的多电机同步控制系统设计等内容。

学生在前段时间的阶段训练完成后，就可以尝试开展项目实践型的实验内容。例如通过参观实习，学生可以独立完成某小区基于变频器控制的恒压供水系统改造、基于视觉引导的工业机器人抓取系统设计、基于运动控制板卡的6-8轴终端执行电机同步控制等。

2.2 課程设置内容的完成情况

48学时的课程，在学时安排上，理论课程36学时，实践课程12学时，仅有的十二课时，基本能够完成基础性实验内容。基础型实验，重基础知识的理解、掌握如何加以应用，学生在基本方法和基本技能的掌握方面在本科教学评估测试中取得了较好的成绩。

部分接受能力快的学生，可以完成提高型实践内容。提高型实验，包括提高性、综合性、应用性实验等，重知识的融会贯通和自行设计，强调综合与分析能力的提高，提倡开放式的自主实验，通过一些自行设计的锻炼、动手制作一些有应用价值和前景的作品。

通过以上不同层次实践课程的开设及训练，学生可以充分理解何谓运动控制，同时可以充分发挥个人的水平，很好地完成课内实践内容。

以数控G代码编程为例，在进行这一类基础课程实践的过程中，结合所给案例细致讲解，点的移动、位移的算法、圆的不同绘制方法、点线的过渡切换、平面直线与曲线的过渡算法等，对学生都是很好的锻炼，前期的认知实验及不同的插补实现内容等，对数控代码编程都是有促进作用的。学生相互之间又会有必要的交流，学过数控的同学可以提出教师此前讲解不够专业的问题，教师反过来引导学生，在完成实践内容过程中怎样突出重点，相互学习共同进步。每轮课程完成后，都会在报告中发现学生的优秀作品，做好学生优秀作品的收集工作，对于教程的丰富上，实时添加，促进了学生对数控编程的学习和研究。endprint

2.3 课程设置创新内容在毕业设计中的实施

创新型实验，重在创新系统解决方案和自主提出问题、分析和解决问题。在基础课程实践以外，毕业设计是检验学生掌握运动控制课程内容非常好的手段。

机器人控制是工业4.0的一个分支，对于机器人的控制原理，运动轨迹规划，精确的位置定位等问题，都需要学生花时间学习相关知识，但对于应用型本科培养的毕业生来说，如何在短时间内完成对象的综合应用，是重要问题。

例如学生在四自由度工業机器人控制过程中，提出如何不用示教软件，完成工业控制对象的控制问题。在毕业设计中，此学生就这个问题展开了毕业设计的相关工作，从学习VC语言入手，在语言环境中对基本控制界面进行规划，在学习运动控制板卡使用时，对函数的调用、载入等问题深入研究，通过计算机与运动控制板卡建立函数连接，到控制终端运动控制器，再到执行电机的控制渐进式地完成了相应内容，学生在此基础上收获颇丰，也在对口单位找到了合适的机器人维护工作。

2.4 结合工程应用综合训练内容添加

项目实践型内容，注重考验学生的综合能力，结合实际工程案例，组建合适的团队，任务分配及团队的协作能力，都需要学生自己处理好。

此类实践内容在学生毕业后，学生在专业对口实习单位实习过程中，可以就单位所给的工程对象，结合课程所学内容，发挥个人的特长组建团队，对实际案例进行仿真后，通过建模，软硬件组合，完成最终方案的确定等，一系列的问题解决都是对学生能力的考验，通过课程设置的实践内容锻炼，此类的问题在工作中，基本是可以解决的。

此类问题对学生的要求提出更高的要求，所以，是建立在对运动控制感兴趣的学生，同时，学生今后的就业方向也是对应的，这部分学生目的性很强，塑造性很强。

2.5 课程设置内容反馈

在期中、期末的教学研讨会上，全体学生在联网的计算机上，会对教师进行集体评教；学生代表会在学院的教学研讨会中对任课老师进行评价，同时对课堂教学内容进行积极的反馈，通过教学院长建立“学生—学校—教师—学生”这样的反馈机制，可以很好地将课程改革进行下去，促进该课程的深入改革，对适用于应用型本科的学生培养，可以起到很好的正反馈作用。

3 结束语

在对学生开展启发式、讨论式教学，注重（下转第100页）（上接第50页）对学生科学志愿、团队精神和创新意识的培养过程中，对于应用型本科学生培养提出了一定要求；同时倡导理论教师也能完成实验实践内容，学校也要重视双师型师资的培养，使理论教学与实践教学紧密结合起来；配套的实践教程编写，在基本框架不变的情况下，合理增加社会需求的实践内容，如何适应市场需求，适应一线用人单位需求，是我们必须要考虑的。通过近5年的课程教学，电气专业及机械数控专业的学生，基本掌握了基础型、提高型实践内容，创新型实验及项目实践型内容在现行的教学计划中，只能充分利用课外时间加以实施，在此环境下，充分借鉴其他课程对于应用型人才的培养模式，适时调整教程内容安排，这样才能培养出适应于工矿企业的，能说、能做、能合作的应用型人才。

基金项目：“十二五”期间省重点教材立项项目，获省教育厅2015年高等学校重点教材（新编教材）立项（编号：2015-2-033）

参考文献

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[3] 庄华洁，周金其.本科应用型人才培养模式的研究与实践.高等教育研究，2004.6.

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[5] 熊田忠，黄捷，陈春.运动控制实践教程[M].西安：西安电子科技大学出版社，2016.6.

[6] 熊田忠.“专升本”自动化专业运动控制课程教学改革初探[J].高教论坛，2011（2）：75-77.endprint