電力拖動控制系統(tǒng)課程教學(xué)改革與實踐

張敬南， 彭 輝

(哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

作為電氣工程及其自動化專業(yè)、自動化專業(yè)的主干課程，電力拖動控制系統(tǒng)課程結(jié)合了電機學(xué)、電力電子技術(shù)、自動控制原理等基礎(chǔ)課程的綜合應(yīng)用，是一門實踐性和綜合性很強的課程[1-2]。通過該課程的學(xué)習(xí)要使學(xué)生掌握典型交、直流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成原理和計算方法，具備進行系統(tǒng)設(shè)計和分析的能力[3-4]。為了更好地提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、鍛煉學(xué)生的實踐能力、培養(yǎng)學(xué)生的研究能力，在理論教學(xué)過程中引入了包括仿真在內(nèi)的各種多媒體輔助教學(xué)手段，并基于項目任務(wù)法開展了教學(xué)活動；實驗教學(xué)過程中采用了虛擬實驗教學(xué)軟件輔助教學(xué)，并在必做實驗基礎(chǔ)上根據(jù)學(xué)生掌握程度增設(shè)不同的創(chuàng)新實驗和具有專業(yè)特色的實驗。課程組結(jié)合教學(xué)實踐對相應(yīng)的改革工作進行了檢驗。

1 課程特點分析

我校電氣工程及其自動化一級學(xué)科下包括了電力系統(tǒng)及其自動化和電力電子與電力傳動兩個專業(yè)方向，專業(yè)培養(yǎng)學(xué)生重視電氣設(shè)備應(yīng)用、系統(tǒng)設(shè)計，而非電氣元件的設(shè)計與工藝。對于研究型大學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)的特點，培養(yǎng)方案重點在于培養(yǎng)學(xué)生的具有解決電氣工程領(lǐng)域分析與控制技術(shù)問題的基本能力。因此，電力拖動控制系統(tǒng)成為學(xué)生在本科階段最為重要的專業(yè)主干課程。

根據(jù)我校本科人才培養(yǎng)方案的培養(yǎng)目標(biāo)，電力拖動控制系統(tǒng)課程需要學(xué)生掌握的關(guān)鍵知識點主要包括：熟悉典型的電力拖動控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并能夠進行元器件選擇設(shè)計；能夠基于工程設(shè)計法進行電力拖動控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計；既能夠?qū)崿F(xiàn)電力拖動控制系統(tǒng)的模擬控制，又能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字控制；能夠?qū)Φ湫凸收线M行判斷分析；能夠?qū)φ{(diào)節(jié)器參數(shù)變化的影響做分析。

對于學(xué)生而言，令學(xué)生感覺學(xué)習(xí)困難和不適應(yīng)的地方在于電力拖動控制系統(tǒng)課程不同于學(xué)生在之前學(xué)習(xí)的課程。電力拖動控制系統(tǒng)是屬于系統(tǒng)級研究的課程，學(xué)習(xí)過程需要由多門專業(yè)基礎(chǔ)課程支撐，知識面寬、專業(yè)基礎(chǔ)要求高、綜合性和實用性強。為了提高學(xué)生的實踐能力，項目教學(xué)法、逆序教學(xué)法被應(yīng)用到國內(nèi)的職業(yè)教育中，并取得了較好的實踐效果。我校本課程的改革可以借鑒其他院校的研究成果，但與職業(yè)教育不同，培養(yǎng)的學(xué)生實踐能力的同時，還要強調(diào)基礎(chǔ)和培養(yǎng)學(xué)生對電力拖動系統(tǒng)分析研究的能力。

綜上分析，對于這樣一門理論性和實踐性均很強的課程，采用單純的理論講授或者純粹的項目教學(xué)法均存在問題?？偨Y(jié)來看，應(yīng)該注意到以下幾個問題。

(1) 課程為多門專業(yè)基礎(chǔ)課的綜合應(yīng)用，要避免教學(xué)過程中對基礎(chǔ)課程內(nèi)容的過多復(fù)習(xí)，要努力提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，令學(xué)生在課后主動去鞏固基礎(chǔ)知識。

(2) 理論講授過程中要避免單純的理論分析，加強理論結(jié)合實踐、應(yīng)用于實踐的力度。

(3) 實驗環(huán)節(jié)中要避免學(xué)生對系統(tǒng)實驗認(rèn)識不足的情況下進行實驗，要提高實驗學(xué)時限制下的實驗效率和實驗效果。

(4) 培養(yǎng)學(xué)生的分析能力，掌握一定的分析方法。不僅是正常運行狀態(tài)的分析，還包括各種因素變化對電力拖動控制系統(tǒng)影響，以及在真實的實驗環(huán)境下難以實現(xiàn)各種錯誤設(shè)計、故障情況對電力拖動控制系統(tǒng)影響。

2 課程改革方案探討

2.1 理論教學(xué)過程改革

2.1.1多媒體與仿真技術(shù)輔助課程講授

最基本的多媒體技術(shù)應(yīng)用是直觀的圖片與視頻。通過結(jié)合工程應(yīng)用和科研實踐的大量實例圖片和視頻，不僅在理論講授過程中提升學(xué)生的感性認(rèn)識，而且使理論應(yīng)用有的放矢[5-6]。比如說，結(jié)合水池實驗室電力拖動控制系統(tǒng)講授電力拖動系統(tǒng)構(gòu)成[7]；結(jié)合長江升船機講授電力拖動控制系統(tǒng)講授多機同步控制；結(jié)合西門子公司6RA70的直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試視頻講授雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)變化影響。

由于仿真技術(shù)投資少、安全性高、可以設(shè)計極端條件的運行狀況，為電力拖動控制系統(tǒng)的教學(xué)提供了有力的支持[8-9]。教學(xué)過程中依托針對各個典型電力拖動控制系統(tǒng)的仿真程序，既可以加深學(xué)生對系統(tǒng)構(gòu)成的認(rèn)識，又可以為運行過程分析、參數(shù)研究等教學(xué)內(nèi)容提供直觀的分析工具[10]。學(xué)生也可以在課后結(jié)合仿真程序開展各種運行狀態(tài)或故障狀態(tài)的仿真分析研究。

建構(gòu)主義理論認(rèn)為教學(xué)是激發(fā)學(xué)生建構(gòu)知識的過程[11]。既然知識是學(xué)習(xí)者自我建構(gòu)的結(jié)果，那么教學(xué)就不是傳授、灌輸知識的活動，而是一個激發(fā)學(xué)生建構(gòu)知識的過程。課程中利用虛擬仿真技術(shù)為學(xué)生提供了電力拖動控制系統(tǒng)仿真運行的各種案例，學(xué)生通過對仿真程序的應(yīng)用，以及對仿真結(jié)果的比較分析，總結(jié)經(jīng)驗，實現(xiàn)自我學(xué)習(xí)認(rèn)知的過程。通過教學(xué)實踐，基于建構(gòu)主義理論構(gòu)建了一套循序漸進的仿真教學(xué)體系，形成了理論教學(xué)—仿真案例分析—仿真結(jié)果總結(jié)—新的仿真案例分析—深入理論總結(jié)的學(xué)習(xí)過程。

2.1.2項目教學(xué)法應(yīng)用教學(xué)改革

項目教學(xué)法在計算機類、電子類課程中有所應(yīng)用，對于提升學(xué)生自由探究和互動式學(xué)習(xí)有很好的實踐效果[12-13]。項目教學(xué)法的應(yīng)用是在理論學(xué)習(xí)之后，根據(jù)教師布置的項目任務(wù)，在教師的監(jiān)督下完成的。項目教學(xué)法可以使學(xué)生完整的經(jīng)歷一個項目任務(wù)的資料收集整理分析、方案設(shè)計論證、計劃實施與實現(xiàn)、成果總結(jié)匯報、答辯與點評等過程。學(xué)生可以在以下幾個方面獲益：① 通過初期調(diào)研和方案的制定，能夠增強學(xué)生對理論知識的掌握水平，清晰相關(guān)知識的發(fā)展現(xiàn)狀和運用情況；② 通過將理論與實踐項目結(jié)合能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并鍛煉了學(xué)生實際運用能力，使所學(xué)有所用，理論得以升華；③ 通過項目目標(biāo)逐步實現(xiàn)的過程，既培養(yǎng)了學(xué)生面對困難時需要的科研攻關(guān)素質(zhì)，又建立了目標(biāo)實現(xiàn)后的成就感和自信心；④ 通過團隊的合作過程，鍛煉學(xué)生的團隊合作能力和團隊榮譽感。

考慮到課程的工作量和學(xué)生能力等因素。采用項目教學(xué)法應(yīng)該注意數(shù)量、難度、相互銜接等方面問題。

(1) 雖然本課程教學(xué)內(nèi)容和知識點很多，但是不能大量采用項目教學(xué)法，否則增加了學(xué)生課后負(fù)擔(dān)，令學(xué)生疲于應(yīng)對，導(dǎo)致學(xué)生無法深入探索，并可能打擊了學(xué)生的興趣。所以本課程只針對課程中幾個關(guān)鍵知識點設(shè)置項目任務(wù)，并采用分組合作的形式來完成學(xué)習(xí)過程。

(2) 要根據(jù)每屆學(xué)生對基礎(chǔ)課程掌握程度的不同設(shè)置難度適宜的項目任務(wù)。雖然本課程教授內(nèi)容需要緊密聯(lián)系工程實踐，但是考慮到學(xué)生的實際情況，不可能要求學(xué)生做到面面俱到，主要是要突出研究重點，簡化研究難度，避免出現(xiàn)粗枝大葉、舍本逐末等現(xiàn)象。

(3) 項目任務(wù)要體現(xiàn)循序漸進過程，從簡單到復(fù)雜、從子系統(tǒng)到全系統(tǒng)、從基本理論到派生理論過程。

綜上考慮，本課程中采用了項目教學(xué)法的關(guān)鍵內(nèi)容和具體要求如下所述。

(1)電力拖動控制系統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計項目。根據(jù)靜態(tài)指標(biāo)要求，進行控制系統(tǒng)構(gòu)成方案的設(shè)計。有助于學(xué)生掌握系統(tǒng)的構(gòu)成和主電路元器件選擇方法。

(2)不可逆直流電力拖動系統(tǒng)仿真程序設(shè)計。結(jié)合仿真軟件構(gòu)建系統(tǒng)的仿真程序。有助于學(xué)生熟悉主要元器件的數(shù)學(xué)模型；具備進行系統(tǒng)靜動態(tài)分析的能力；掌握采用不同的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)對控制系統(tǒng)的影響。

(3)調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計項目。在(1)和(2)的基礎(chǔ)上，結(jié)合動態(tài)指標(biāo)要求，進行系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計。有助于學(xué)生對調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計方法深入掌握，包括自動控制原理講授的基于Bode圖的動態(tài)校正方法和本課程講授的工程設(shè)計法；

(4)數(shù)字控制設(shè)計項目。結(jié)合(3)的設(shè)計結(jié)果，編制數(shù)字濾波和增量式調(diào)節(jié)器的程序。有助于學(xué)生掌握數(shù)字濾波器和數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計與實現(xiàn)過程；

(5)邏輯控制無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計項目。在不可逆雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上進行可逆系統(tǒng)的設(shè)計。有助于學(xué)生掌握邏輯無環(huán)流可逆系統(tǒng)的構(gòu)成，以及無環(huán)流邏輯控制器的實現(xiàn)。

(6)異步電動機矢量控制系統(tǒng)設(shè)計項目?；?1)～(5)對雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)器的設(shè)計思想的掌握，完成異步電動機矢量控制系統(tǒng)設(shè)計。有助于學(xué)生加深對雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的認(rèn)識，并進一步推廣到其他控制場合。

2.2 實驗教學(xué)改革

2.2.1結(jié)合虛擬實驗軟件的實驗教學(xué)改革

依托GUI編程技術(shù)和動畫制作進行虛擬實驗?zāi)M，核心是對實驗中的各種元件、負(fù)載及控制回路編制數(shù)值計算的程序，并通過多媒體技術(shù)和人機接口技術(shù)設(shè)計虛擬實驗操控界面[14-15]。虛擬實驗操作由數(shù)學(xué)模型驅(qū)動，并用數(shù)值仿真技術(shù)計算系統(tǒng)的工作過程?；诮?gòu)主義學(xué)習(xí)理論設(shè)計功能元素和表現(xiàn)形式，綜合利用多種知識傳輸媒介和多媒體表現(xiàn)形式提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

虛擬實驗軟件的應(yīng)用為學(xué)生提供了實驗預(yù)習(xí)工具，加深了對實驗的認(rèn)識，提高了實驗室實驗的效率和效果。同時，也使學(xué)生脫離了實驗室實驗地域和時間的限制。

2.2.2深化實驗內(nèi)容

隨著科學(xué)理論和新型設(shè)備的發(fā)展，電力拖動控制系統(tǒng)也出現(xiàn)新的形式和新的應(yīng)用。實驗室通過自研設(shè)備和引進實驗設(shè)備，在必做的基礎(chǔ)實驗基礎(chǔ)上開設(shè)了部分自選實驗內(nèi)容，包括理論深入的異步電動機矢量控制實驗和直接轉(zhuǎn)矩控制實驗；實用控制設(shè)備應(yīng)用的基于西門子控制器和基于歐陸控制器的電力拖動控制系統(tǒng)實驗等。

結(jié)合我校具有的船舶特色，增設(shè)了船舶電力推進系統(tǒng)創(chuàng)新實驗。將基于科研研究構(gòu)建的船舶電力推進全數(shù)字仿真教學(xué)平臺和半物理虛擬實驗平臺應(yīng)用于本科教學(xué)，解決了遠離船舶運行環(huán)境進行船舶電力推進內(nèi)容教學(xué)的問題。船舶電力推進系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型研究構(gòu)建全數(shù)字仿真模型作為仿真教學(xué)平臺的后臺分析計算程序，結(jié)合多媒體技術(shù)和GUI接口技術(shù)構(gòu)建船舶推進系統(tǒng)操作平臺用于仿真操作。半物理虛擬實驗平臺結(jié)合了科研成果，其核心是計算機的船舶推進系統(tǒng)數(shù)值仿真程序和半物理實驗裝置的有源逆變控制技術(shù)。

教師可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況以及學(xué)生的興趣愛好選擇性的完成上述各類實驗。

3 課程改革實踐檢驗情況

結(jié)合我校電氣工程及其自動化專業(yè)“電力拖動控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)活動，本文所述各項教學(xué)改革工作得到了很好的實踐?；诜抡婕夹g(shù)進行輔助教學(xué)早在2008年我校電氣工程及其自動化專業(yè)“電力拖動控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)中就開始了實踐，近年來不斷改進完善，已經(jīng)應(yīng)用到課程各個主要環(huán)節(jié)的教學(xué)過程中，獲得了學(xué)生的歡迎與好評。圖1所示為課程中采用的基于Simulink仿真軟件的直流電力拖動控制系統(tǒng)仿真程序。

基于項目教學(xué)法的教學(xué)改革在2013年通過學(xué)校教學(xué)立項并在10級電氣工程及其自動化專業(yè)“電力拖動控制系統(tǒng)”課程中進行了實踐，按照2.1.2的設(shè)計很好的完成了教學(xué)任務(wù)，學(xué)生頗為獲益，反饋效果很好。

2012年開始開發(fā)了基于Visual C++和Simulink接口技術(shù)的虛擬實驗軟件，并將其逐步應(yīng)用于09級和10級電氣工程及其自動化專業(yè)“電力拖動控制系統(tǒng)”實驗教學(xué)中，為實驗教學(xué)提供了良好的支撐。圖2所示為虛擬仿真實驗操作界面。

圖2 虛擬仿真實驗操作界面

所設(shè)置的選作實驗中，西門子控制器這些現(xiàn)實生產(chǎn)活動中的主流產(chǎn)品的實際應(yīng)用內(nèi)容極大地吸引了學(xué)生興趣；具有學(xué)校特色的船舶電力推進仿真實驗內(nèi)容加深了學(xué)生對專業(yè)和學(xué)校的認(rèn)識，吸引了一批保研學(xué)生加入課題組繼續(xù)深造。

4 結(jié) 語

針對理論性和實踐性均較強的“電力拖動控制系統(tǒng)”課程而進行的一系列教學(xué)改革在實踐中取得了很好的效果。通過改革，不僅使教學(xué)過程變得豐富多彩，吸引了學(xué)生的注意，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情；而且是學(xué)生掌握基本知識之外，是學(xué)生掌握了更多的設(shè)計方法和分析手段，并培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和研究能力。在“電力拖動控制系統(tǒng)”課程改革的經(jīng)驗，將被借鑒到我校其他課程的教學(xué)改革中。

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