摘要：本文主要探讨机器人在自动控制原理课程教学中的应用。分别以机器人运动控制建模、舵机模型辨识、舵机稳定性分析、机器人运动轨迹控制等为任务，介绍控制系统建模、对数频率特性曲线、非线性系统稳定性分析、PID控制等理论应用，体现了本门课理论与实践结合的特点。机器人的应用降低理论授课的难度，实际教学效果良好。
关键词：自动控制原理；Bode曲线；实验建模；教学方法
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）26-0165-02
一、引言
《自动控制原理》课程理论性强、概念抽象，学生在学习过程中困难较多。但是，本门课程的理论和实践紧密结合的特点可以有助于教学的开展。选择具体的工程实践实例，应用《自动控制原理》的相关知识来解决实践中的问题，从而提高学生的学习兴趣。
机器人是一个典型的自动控制系统。它具有测量、计算、决策、执行等能力，通过闭环控制实现各种功能。而机器人的分析设计是自动控制的具体实现，可以作为《自动控制原理》教学的应用实例。
本文以机器人的分析和设计为任务牵引，分别探讨《自动控制原理》在机器人运动控制建模、舵机模型辨识、舵机稳定性分析、机器人运动轨迹控制等方面的教学设计。
二、机器人运动控制建模
建模是实现机器人运动控制的基础。以双轮差动机器人为例，通过分析机器人运动所遵循的运动学规律，得到机器人位置信息与输入信号的关系，从而建立机器人运动模型，为后续运动控制的设计奠定工具基础。
三、舵机模型辨识
舵机是机器人的主要组件，其数学模型是对机器人进行分析和设计的前提条件。针对舵机结构复杂、信号种类多的特点，主要采用频率响应实验建模的方法对舵机进行模型辨识[1]，实验原理如图2所示。首先，利用舵机的频率响应实验数据，绘制其Bode曲线；然后根据Bode曲线与系统频率特性之间的对应关系，确定舵机模型中包含的典型环节；所有典型环节的串联乘积即是舵机的频域模型——频率特性。
四、舵机的稳定性分析
舵机的输出和输出速度是有界的，此时系统包含非线性要素，主要是饱和环节，如何分析饱和非线性特性影响下系统的稳定性是系统的首要分析性能。对于此类问题，可采用描述函数法解决。举例如下：舵机的结构图如图3所示，其中输出饱和特性参数为K=1，a=1，试分析系统稳定性。
描述函数法的关键是非线性环节的负倒特性曲线与线性环节的奈奎斯特曲线之间的几何包围关系。舵机中饱和环节的负倒特性曲线-1/N（A）如图4中粗实线所示，取值范围为（-∞，-1]。线性环节的奈奎斯特曲线G（jω）如图4中虚线所示。
可见，两条曲线相交，且交点Q点为“穿出点”，则此时系统稳定自振。稳定运行的系统，需要消除自振。在系统的前向通道上串联一个放大系数小于0.5的比例环节，降低线性部分的开环增益，“压缩”奈奎斯特曲线G（jω），使之与实轴的交点位于（-1，j0）点右侧，从而分离-1/N（A）曲线和G（jω）曲线，使系统稳定。
五、运动轨迹的PID控制
机器人的运动轨迹控制是《自动控制原理》的重要应用。运动轨迹可分为机器人本体的轨迹、机械臂的轨迹两种类型，轨迹控制的本质是对机器人执行机构——电机的控制。常用的经典控制器是PID，即比例—积分—微分控制器[2]，原理如图5所示。
六、小结
在此门课程授课过程中，引入机器人关键技术和问题的应用、分析，大大提高学生的学习兴趣，解决了以往教学过程中出现的理论枯燥乏味的问题。利用机器人实验平台开展部分针对性实验，效果比较良好。另外，将机器人技术引入自动控制原理教学，提升了部分优秀学生的科技创新能力，有助于其参加机器人竞赛、电子设计竞赛等活动，达到學以致用的目的。
参考文献：
[1]胡寿松.自动控制原理[M].科学出版社，2013.
[2]管观洋，陈广锋，席伟.基于codesys的两轮机器人控制研究[J].自动化与仪表，2018，33（04）：16-19.
[3]马玲，牟彬瑞.移动机器人运动轨迹控制算法研究[J].工业仪表与自动化装置，2018，（4）：132-135.