電子設(shè)計競賽的控制系統(tǒng)設(shè)計范文

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全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽是面向大學(xué)生的群眾性科技活動，其目的在于按照緊密結(jié)合教學(xué)實(shí)際，著重基礎(chǔ)、注重前沿的原則，促進(jìn)電子信息類專業(yè)和課程的建設(shè)，引導(dǎo)高等學(xué)校在教學(xué)中注重培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力、協(xié)作精神；加強(qiáng)學(xué)生動手能力的培養(yǎng)和工程實(shí)踐的訓(xùn)練，提高學(xué)生針對實(shí)際問題進(jìn)行電子設(shè)計、制作的綜合能力；吸引、鼓勵廣大學(xué)生踴躍參加課外科技活動，為優(yōu)秀人才脫穎而出創(chuàng)造條件。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，各大院校的實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)施都得到了顯著的改善，但是在硬件設(shè)施日益完善的今天，針對電子設(shè)計競賽所提出的實(shí)踐能力培養(yǎng)的內(nèi)涵建設(shè)要求，如何將實(shí)踐教學(xué)改革引向深入，對實(shí)踐教育工作者提出了更加嚴(yán)格的要求。為此，本文分析并總結(jié)了歷屆電子競賽賽題，根據(jù)其側(cè)重點(diǎn)的不同進(jìn)行了分類，包括電源類、信號源類、無線電類、放大器類、儀器儀表類、數(shù)據(jù)采集與處理類、控制類7個大類，針對不同類型的題目建立起相對應(yīng)的實(shí)踐教學(xué)改革方案，引導(dǎo)大學(xué)生科技活動向更加專業(yè)化的方向拓展，這也是將實(shí)踐教學(xué)工作引向細(xì)致深入的有效徑。如表1所示，回顧歷屆“控制類”賽題，控制系統(tǒng)設(shè)計的題目越來越向復(fù)雜系統(tǒng)的控制方向發(fā)展，需要控制的變量不僅數(shù)量增加，且相互之間的耦合程度也在提升，對大學(xué)生的控制系統(tǒng)設(shè)計能力提出了更高的要求。為了適應(yīng)新的變化，需要針對“控制系統(tǒng)設(shè)計”這一問題制定科學(xué)的教學(xué)改革方案，才能滿足大賽組委會對當(dāng)前大學(xué)生提出的更高要求，從而進(jìn)一步提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，深入貫徹以電子競賽促進(jìn)實(shí)踐教學(xué)改革的目標(biāo)。

1明確培養(yǎng)目標(biāo)，建立層次化實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容體系

把握競賽精神，明確電子設(shè)計競賽控制系統(tǒng)設(shè)計方向的培養(yǎng)目標(biāo)，關(guān)鍵在于把握競賽命題內(nèi)容，與時俱進(jìn)，從而引導(dǎo)實(shí)踐教學(xué)的發(fā)展，全面提高學(xué)生工程實(shí)踐能力。在實(shí)踐教學(xué)過程中重點(diǎn)解決兩個問題，一是如何加強(qiáng)學(xué)生的基礎(chǔ)能力，二是如何提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力，最終使學(xué)生的電子制作技能、控制系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試技能及解決實(shí)際問題的能力達(dá)到全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽所要求的標(biāo)準(zhǔn)。分析歷屆控制類題目的命題內(nèi)容發(fā)現(xiàn)，對大學(xué)生控制系統(tǒng)設(shè)計能力的培養(yǎng)，涉及傳感器應(yīng)用、模擬電路制作、功率電路制作、數(shù)字電路制作、控制算法編寫、機(jī)械制作等多方面的知識，具有非常強(qiáng)的綜合性。典型的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中檢測電路主要涉及各類傳感器及其相應(yīng)調(diào)理電路的設(shè)計制作；控制電路涉及單片機(jī)、ARM、FPGA等控制器的應(yīng)用；驅(qū)動電路主要包括電機(jī)驅(qū)動和其他功率電路的設(shè)計制作；機(jī)械統(tǒng)主要包括電機(jī)的應(yīng)用、機(jī)械結(jié)構(gòu)的制作等。另外根據(jù)具體要求，還可能需要通信電路和其他的擴(kuò)展電路。針對控制系統(tǒng)設(shè)計所需的知識結(jié)構(gòu)，建立層次化的實(shí)訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容體系，合理分配基本性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)比例，按階段實(shí)施學(xué)習(xí)計劃，逐步培養(yǎng)學(xué)生從基礎(chǔ)模塊訓(xùn)練到驅(qū)動程序的編寫能力，再到PID控制算法的編寫與調(diào)試能力，最終使學(xué)生達(dá)到一般控制系統(tǒng)的綜合設(shè)計能力，具體的教學(xué)內(nèi)容如表2所示。實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容整體包含了3個層次的訓(xùn)練：①訓(xùn)練學(xué)生掌握電工電子工程實(shí)踐的基礎(chǔ)知識和基本技能；②訓(xùn)練學(xué)生掌握儀器儀表的使用方法及與單片機(jī)有關(guān)的基礎(chǔ)知識；③訓(xùn)練學(xué)生掌握與控制系統(tǒng)設(shè)計有關(guān)的各個功能模塊的設(shè)計與調(diào)試方法；④對學(xué)生知識面進(jìn)行拓展，訓(xùn)練學(xué)生學(xué)習(xí)與高級控制系統(tǒng)設(shè)計有關(guān)的知識。

2以開放實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)，改革實(shí)踐教學(xué)管理體制

為了全面提高學(xué)生控制系統(tǒng)設(shè)計能力這一實(shí)踐教學(xué)的根本目標(biāo)，一方面要打破傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)模式，不再以“自動控制原理”“電機(jī)學(xué)”“傳感器檢測技術(shù)”等理論課程的界限劃定分屬于各門課程的實(shí)踐教學(xué)，而是要建立起由驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)綜合構(gòu)成的層次化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容體系；另一方面要在管理上打破陳規(guī)，建立以學(xué)生自主管理為基礎(chǔ)的開放實(shí)驗(yàn)室，模糊課堂與課余的時間概念，將實(shí)踐教學(xué)向課堂外有效延伸。開放實(shí)驗(yàn)室作為學(xué)生開展課外科技活動的主要場所，是支撐實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的基本物質(zhì)保障，近年來得到了各高校的重視。開展較早的院校均通過向?qū)W生開放實(shí)驗(yàn)室資源培養(yǎng)出了許多優(yōu)秀的工程實(shí)踐人才，通過參加學(xué)科競賽、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等教學(xué)環(huán)節(jié)的評比，這些學(xué)生的動手能力、協(xié)作精神以及創(chuàng)新思維等綜合素質(zhì)都明顯提高，獲得了教師、同學(xué)、社會的普遍認(rèn)可。但是，隨著越來越多的學(xué)生積極參與開放實(shí)驗(yàn)室，隨之而來的場地、設(shè)備、經(jīng)費(fèi)及管理方面的問題也日益凸顯，制約了實(shí)踐教學(xué)活動的順利展開，教師引導(dǎo)并幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室自主管理成為解決該問題的有效途徑。在如何引導(dǎo)學(xué)生的自主管理體制問題上，學(xué)校也做了積極的探索，包括以下3個方面。（1）模擬公司管理制。將學(xué)生以班集體的組織形式招收到開放實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)室的日常管理主要由班長負(fù)責(zé)，教師主要與班長進(jìn)行溝通協(xié)調(diào)，一般不直接參與管理，基本的管理組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。班長作為總負(fù)責(zé)人定期安排組織工作，下屬5個部門的具體分工如下：①技術(shù)部，主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的儀器儀表等設(shè)備的管理以及技術(shù)培訓(xùn)工作；②財務(wù)部，主要負(fù)責(zé)班費(fèi)的管理工作；③元器件庫，主要負(fù)責(zé)學(xué)生常用元器件的購買、分發(fā)、管理工作；④網(wǎng)絡(luò)部，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)站的建設(shè)和管理工作；⑤辦公室，主要負(fù)責(zé)組織協(xié)調(diào)安全、衛(wèi)生、紀(jì)律、規(guī)章制度等日常管理工作。（2）師徒培訓(xùn)制。對技術(shù)知識的渴望是開放實(shí)驗(yàn)室中組建班集體的核心動力來源，為了讓學(xué)生們能夠得到有效的技術(shù)培訓(xùn)，可采用師徒制的方法引導(dǎo)學(xué)生互幫互助，先進(jìn)帶動后進(jìn)，形成“大三帶大二、大二帶大一、老師帶大四”的基本制度。這種制度不僅讓更多的學(xué)生受益，而且?guī)熒g建立了深厚的師徒情分，在實(shí)踐過程中提高了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識，不僅為電子競賽，也為學(xué)生畢業(yè)后進(jìn)入社會合作創(chuàng)業(yè)打下了堅實(shí)的感情基礎(chǔ)。（3）項(xiàng)目考核制。為了對每個團(tuán)隊(duì)學(xué)生的階段性學(xué)習(xí)成果進(jìn)行測試，可利用學(xué)校的各種政策和經(jīng)費(fèi)支持，通過創(chuàng)新項(xiàng)目對學(xué)生團(tuán)隊(duì)進(jìn)行綜合性考核，讓學(xué)生對工程項(xiàng)目的立項(xiàng)申請、方案論證、項(xiàng)目實(shí)施、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、總結(jié)報告等環(huán)節(jié)有一個系統(tǒng)性的認(rèn)知，培養(yǎng)更加有效的工程思維能力。具體的項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)不僅可以通過國家大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目獲得，也可以通過校企合作、大學(xué)計劃等多個方式獲得，作為開放實(shí)驗(yàn)室的重要物質(zhì)保障。

3采用實(shí)例化教學(xué)手段，自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選用是實(shí)踐教學(xué)體系形成的重要環(huán)節(jié)，為了適應(yīng)大學(xué)生電子設(shè)計競賽的要求，結(jié)合學(xué)校實(shí)踐教學(xué)體系的內(nèi)容特點(diǎn)以及學(xué)生掌握知識結(jié)構(gòu)的基本情況，實(shí)驗(yàn)室自行研制了更加符合學(xué)校實(shí)際情況的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不僅節(jié)約了設(shè)備購置經(jīng)費(fèi)，降低了成本，還能夠以自制設(shè)備為基礎(chǔ)，拓展一些有特色的實(shí)踐教學(xué)課程，并應(yīng)用于課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等其他教學(xué)環(huán)節(jié)。根據(jù)一般控制系統(tǒng)設(shè)計的基本特點(diǎn)，以培養(yǎng)學(xué)生對于簡單系統(tǒng)建模、理論模型的工程應(yīng)用、PID控制算法設(shè)計、C語言實(shí)現(xiàn)以及控制系統(tǒng)分析5個方面的能力為目的，選擇有代表性的、學(xué)生感興趣的控制系統(tǒng)設(shè)計案例作為教學(xué)對象，以實(shí)例帶動學(xué)生學(xué)習(xí)，讓學(xué)生直觀地感受到控制系統(tǒng)設(shè)計的難度和技巧，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和想象力，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐水平的提高。如圖3所示，結(jié)合歷屆電子競賽題目，自制ARM、FPGA等開發(fā)板以促進(jìn)學(xué)生對高級嵌入式系統(tǒng)處理器的學(xué)習(xí)和掌握，自制智能小車、兩輪自平衡小車、四軸飛行器等比較典型的控制系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，由簡入繁，逐步深入，具有一定的代表性，且受到大學(xué)生的普遍喜愛。興趣與理論的結(jié)合能進(jìn)一步提高學(xué)生的設(shè)計能力。實(shí)驗(yàn)設(shè)備研制過程中，通過組織學(xué)生申請立項(xiàng)，使其積極參與示例程序的編寫與硬件調(diào)試工作，并且將學(xué)生設(shè)計使用過程中的實(shí)際感受及時反饋記錄，最終開發(fā)出了符合學(xué)校實(shí)際情況的教學(xué)設(shè)備，提升了實(shí)踐教學(xué)效果。

4實(shí)踐教學(xué)方法的創(chuàng)新性設(shè)計

實(shí)踐教學(xué)方法是指導(dǎo)教師以工程實(shí)踐為主，培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)、獲得工程技能的一系列教學(xué)活動的組合，實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)相輔相成。實(shí)踐教學(xué)方法的創(chuàng)新，有賴于打破傳統(tǒng)的以理論教學(xué)為主、實(shí)踐教學(xué)為輔的教學(xué)觀念。為了吸引學(xué)生興趣，以實(shí)踐教學(xué)推動理論知識的掌握和吸收，可以從以下3個方面進(jìn)行把握。（1）實(shí)踐教學(xué)課程的設(shè)置更加具有針對性和系統(tǒng)性，有效整合學(xué)校分散的實(shí)踐教學(xué)資源，形成系統(tǒng)化解決某個問題的課程體系。比如以控制系統(tǒng)設(shè)計為目的，相關(guān)的課程設(shè)置可以涵蓋如下5個方面：①控制系統(tǒng)常用傳感器課程，包括溫度傳感器、光電傳感器、超聲波傳感器、傾角傳感器、角度位移傳感器、音頻信號檢測器等；②控制系統(tǒng)常用微控制器課程，包括單片機(jī)、FPGA、ARM、DSP；③控制系統(tǒng)常用外圍模塊課程，包括鍵盤和LED控制、液晶顯示器、觸摸屏、ADC和DAC、無線收發(fā)模塊、語音模塊等；④控制系統(tǒng)常用電機(jī)控制課程，包括舵機(jī)、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)的控制等；⑤控制系統(tǒng)PID控制算法課程，包括增量式PID算法設(shè)計、位置式PID算法設(shè)計等。（2）提倡學(xué)生先做后學(xué)，學(xué)完再做。首先在實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)實(shí)際問題，然后通過理論學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)解決問題，使學(xué)生獲取的知識結(jié)構(gòu)更加具有針對性，過程中教師要注意引導(dǎo)學(xué)生掌握解決某個問題的有效途徑和方法，了解學(xué)生的思維方式，而不是把主要精力放在問題本身上，積極營造民主、寬松的實(shí)踐教學(xué)氛圍，鼓勵學(xué)生大膽提問，不唯師、不唯書，通過討論、網(wǎng)絡(luò)、請教、看書等各種各樣的方法最終達(dá)到解決問題的目的。（3）突出學(xué)生在實(shí)踐教學(xué)過程中的主體地位。教師引導(dǎo)學(xué)生以工程項(xiàng)目化的方式面對并解決問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使教師對學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)成為一種自我意識激發(fā)下的活動，模糊課堂與生活的界限，鼓勵學(xué)生利用課余時間主動投入到實(shí)踐活動當(dāng)中來，當(dāng)學(xué)生從實(shí)踐中獲得成就感和榮譽(yù)感后，就會感染更多的學(xué)生參與，形成良性循環(huán)。

5結(jié)語

根據(jù)對大學(xué)生電子設(shè)計競賽控制類題目命題方向的把握，提煉出大賽精神以及內(nèi)涵的培養(yǎng)目標(biāo)和基本要求，從歷年的競賽題目對控制系統(tǒng)設(shè)計能力的需求，提煉出實(shí)踐教學(xué)的基本內(nèi)容，并把它們進(jìn)行分解、優(yōu)化，使之貫穿于學(xué)校課程實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、科技活動等實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)中，這樣通盤性的考慮，使實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容不僅層次清楚、目標(biāo)明確，而且克服了重復(fù)交疊、各環(huán)節(jié)內(nèi)容之間相互脫節(jié)的問題。另外，與教學(xué)內(nèi)容相適宜的教學(xué)方法、教學(xué)設(shè)施將會有效地提高實(shí)踐教學(xué)效果。

作者：張奇 柴鈺 單位：西安科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心