高中通用技术控制系统实验教学平台

研究背景和意义

在国家大力发展科学技术、推动拔尖创新人才培养的背景下，基础教育越来越重视培养学生的技术意识和创新思维。对于高中通用技术，不同版本的教材几乎都含有“控制”单元模块，由于控制原理复杂、控制内容较多、实验教具匮乏等原因，学生对于该单元的学习和理解存在很多困难。作为高中通用技术教师，在日常教学过程中，发现学生对于控制系统的学习和理解存在很大的困惑，只靠语言和课本，学生很难掌握“控制”单元的内容。

在以创新和实践为主的学科背景下，传统的课堂教学模式不适合用于该单元的教学。此外，由于控制系统涉及的数学、物理、电子、自动化相关的专业知识综合性较强，而通用技术教师大多数是教育学出身，对学生的疑惑往往很难讲解清楚。经过观察和统计，目前“控制”单元的教具数量很少，已有的教具也存在诸多问题，比如安全性不足、美观性差、功能单一、操作复杂、演示过程不直观等[1-6]。为了解决“控制”单元教学的难题，笔者结合自身的教学经验，运用多种专业技能，独立研制出了一套适合高中控制系统教学的实验平台。该平台囊括了开环、闭环、干扰、反馈等教学内容，为了方便观察，还在电路中设置了OLED 显示屏，显示相关数据信息。同时，为了使整个控制过程形象直观，还编写了配套的计算机软件，用于展示控制过程的实时运行曲线，使控制效果一目了然。

该实验平台精致美观小巧，机械和电路的设计安全合理，学生可直接观察传感器、被控对象、执行器、控制器等部件，帮助学生理解输入量、输出量、控制量、干扰等控制系统名词。通过该实验装置，可以提高学生对“控制”单元的兴趣和学习效率，提升教师的课堂效率。

制作过程

完整的实验平台展示和介绍

控制系统实验教学平台由5部分构成：①12V可充电锂电池负责为装置提供电能；②装置左侧为机械结构，红色是指针，由N20电机和齿轮带动旋转；③装置右侧浅蓝色部分为包含控制芯片的控制主板；④蓝牙模块可以让计算机控制软件与装置进行通信；⑤装置底部为透明亚克力底板，具有支撑和保护的作用（见图1）。

电路部分功能区主要包含6 个按键、3个调节旋钮、2个LED 指示灯、1块0.96英寸的OLED显示屏，其功能如下。

● 按键1按下时，可以模拟电池电压下降，每次按下电压逐渐降低，最低值8.64 V;

● 按键2按下时，可以模拟电池电压上升，每次按下电压逐渐升高，最高值17.28 V;

● 按键3按下时，可以切换系统的启动和停止状态；

● 按键4按下时，可以切换系统的开始/ 停止计时模式，记录表针转动1圈的时长；

● 按键5 按下时，芯片里的程序重新开始运行，系统回到初始状态；

● 钮子开关按下时，可以切换系统开环和闭环的运行模式。

对于开环控制系统：旋钮KP顺时针旋转，可以增加电机的转速，逆时针旋转可以降低电机转速，直至停止；旋钮KI、旋钮KD 此时不设功能。

对于闭环控制系统，此时使用的控制算法为PID：旋钮KP、旋钮KI、旋钮KD 顺时针旋转可以分别增大P、I、D三个参数值，逆时针旋转减小三个参数值，可用于辅助学习PID 控制算法。

电子电路设计

整个装置的电路分为控制电路和驱动电路两部分，设计电路使用嘉立创EDA 软件，可自主选择芯片和元器件型号，并生成3D 模拟图，既方便又快捷。

控制电路的芯片选用了STM32F103C8T6， 它具备定时器资源丰富（4 个）、IO 引脚多（40个左右）、频率响应快（72 MHz）、体积小巧（1 cm×1 cm）、价格便宜（5 元左右）等诸多优势。电机驱动芯片选用RZ7886，电源采用12 V 的可充电锂电池，降压模块采用LM2596S-5 V。

编写芯片控制程序

STM32 作为主控芯片，需要编写相应的程序，才能驱动内部的定时器和IO 口正常工作，采用Keil5软件编写和调试控制程序，涉及程序烧录模式、串口通信、按键、ADC 采样、PID 控制算法、定时器、OLED 显示屏、LED 指示灯、电机驱动、PWM 波生成、编码器数据读取、稳压模块等。

机械设计和材料选购

该实验装置三维建模使用SolidWorks 软件，电路、机械、控制一体化设计，优化结构布局，提升设计效率。表针转动结构使用3D打印PLA 材料，底座采用透明亚克力板。

辅助控制系统教学

该实验装置可分别演示开环控制和闭环控制，对表针的转速进行控制，通过模拟干扰对比二者的控制精度和抗干扰能力，通过OLED屏幕和配套的计算机软件观察实时的转速值和转速变化曲线。

开环控制系统

开环控制系统由输入量（目标值）、控制量、输出量、控制器、执行器、被控对象组成。在实验平台上，通过钮子开关使运行模式切换到开环，此时在OLED屏幕上显示“Open”标志，在配套的计算机软件上显示“开环控制”（图3）。

通过旋钮KP可以调节当前的表针转速，根据选择的电机出厂参数和齿轮齿数比，在电压为12V时，可粗略计算出当PWM=1076（ 满转为7200）时，可将表针的转速控制在150 左右，可通过OLED屏幕显示的实时速度和计算机软件的实时速度曲线得出这一结论。

闭环控制系统

闭环控制系统由输入量（目标值）、控制量、输出量、控制器、执行器、传感器、被控对象组成，与开环控制系统相比，多了一个由传感器构成的反馈通道，可通过一定的算法（本实验平台采用了PID控制器）矫正输出量和目标值的偏差。在实验平台上，通过钮子开关使运行模式切换到闭环，此时在OLED 屏幕上显示“Close”标志，在配套的计算机软件上显示“闭环控制”（图4）。

抗干扰能力对比

控制系统中的干扰是普遍存在的，在整个系统的运行过程中，电压会不可避免地产生波动，这是一个非常典型的干扰。为了对比两种控制模式的抗干扰能力，可通过算法模拟电池电压波动，当按键1 按下时，电池电量逐渐下降，当按下按键2 时，电池电量逐渐上升。

选择一个转速控制目标值（比如150），在开环模式下，通过调节KP旋钮，可以使得速度保持在150附近；在闭环控制模式下，调节KP、KI、KD三个旋钮使得参数值分别为KP=66，KI=8，KD=7，也可以使速度保持在150附近。此时，通过按键1、2模拟电池电量的波动，观察二者的速度变化曲线，如图7 所示。

通过表针转速的变化曲线，可以得到如下结论：由于反馈通道传感器可实时检测输出量和输入量的偏差，进而在控制器中进行实时矫正，因此，闭环控制的抗干扰能力更强。而开环控制系统的抗干扰能力比较差，当扰动出现时，不能矫正输出量和目标值之间的误差。

总结和展望

针对当前通用技术课程中“控制”系统单元教学面临的一系列挑战，如理论知识抽象难懂、实验教具功能不足、实践操作机会有限、学生兴趣激发不足等问题，创新性地研发了一套控制系统实验教学平台。该平台以表针的转速控制作为核心示例，不仅包含了开环控制、闭环控制、干扰分析、反馈机制等经典教学内容，还通过一系列精心设计的功能特性，极大地优化了教学效果。

该项目获得第38届全国青少年科技创新大赛科技辅导员科技教育创新成果一等奖