基于虚实结合的球杆自动控制系统教学实验平台设计
Design of a Virtual-Physical Integrated Teaching Experimental Platform for Ball-and-Beam Automatic Control System
DOI: 10.12677/ae.2025.15101987, PDF,    科研立项经费支持
作者: 张广悦, 李瑞峰, 刘国庆, 虞启辉：内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古 包头；孙国鑫*：内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古 包头；内蒙古自治区机电系统智能诊断与控制重点实验室，内蒙古 包头；张建龙：内蒙古明阳北方智慧能源研究院，内蒙古 包头
关键词: 球杆系统；Matlab/Simulink；虚实结合实验教学；Ball-and-Beam System； Matlab/Simulink； Virtual-Real Integrated Experimental Teaching
摘要: 针对自动控制原理硬件实验在实际教学中存在的实验条件受限和学生实践机会不足等问题，本文提出一种虚实结合的实验教学方法，通过将虚拟仿真与实物模型相结合的方式开展自动控制原理教学。利用Matlab/Simulink平台搭建球杆系统模型，设计PID控制器，实现对球杆系统的稳定控制，通过仿真实验展现小球在杆上的动态响应与平衡过程；同时，结合实物模型演示，形成虚实结合的教学方法。教学实践表明，所提出的虚实结合教学方法可扩展自动控制原理课程的实验环境，有效克服实验条件的局限性，并为学生提供可重复的实践机会，提高学生的学习积极性与实践能力，对提升教学质量具有重要意义。
Abstract: Experimental teaching in automatic control principles faces limitations in hardware resources and insufficient practical opportunities for students. A blended virtual-physical experimental approach is proposed. This method combines simulation tools with physical models for teaching automatic control principles. Matlab/Simulink platforms build a ball-and-beam system model. PID controllers are designed to achieve stable control. Simulation experiments demonstrate the ball’s dynamic response and balancing process. Physical model demonstrations complement the simulations. This integrated methodology creates blended experimental environments. Teaching practices demonstrate the approach’s effectiveness in overcoming resource constraints. Students gain repeatable practice opportunities. Learning engagement and practical skills show significant improvement. The method proves valuable for enhancing instructional quality in control engineering education.
文章引用：张广悦, 孙国鑫, 李瑞峰, 刘国庆, 虞启辉, 张建龙. 基于虚实结合的球杆自动控制系统教学实验平台设计[J]. 教育进展, 2025, 15(10): 1432-1441. https://doi.org/10.12677/ae.2025.15101987

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