虛實結(jié)合的運動控制系統(tǒng)課程教學(xué)探索與實踐

羅萍 呂霞付 李敏

【摘要】針對運動控制系統(tǒng)涉及內(nèi)容知識點多，綜合性和實踐性強的特點，引入虛實結(jié)合的授課方法，在理論教學(xué)中和實踐教學(xué)前引入虛擬仿真教學(xué)，實踐教學(xué)中實際動手調(diào)試，同時鼓勵小作品制作，極大激發(fā)學(xué)生積極性，提升了教學(xué)質(zhì)量，提高了學(xué)生能力。

【關(guān)鍵詞】運動控制 虛實結(jié)合 積極性 電機

【基金項目】重慶市2014年高等學(xué)校教學(xué)改革項目（143003）。

【中圖分類號】G64 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）06-0220-01

運動控制系統(tǒng)（Motion Control System）也可稱作電力拖動控制系統(tǒng)（Control Systems of Electric Drive），其任務(wù)是通過對電動機電壓、電流、頻率等輸入電量的控制，來改變工作機械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等機械量，使各種工作機械按人們期望的要求運行，以滿足生產(chǎn)工藝及其他應(yīng)用的需要[1]。

1.運動控制系統(tǒng)課程教學(xué)中的難點

首先，運動控制系統(tǒng)是電氣工程的一門主干課程，已成為電機學(xué)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)、控制理論、信號檢測與處理技術(shù)等多門學(xué)科相互交叉的綜合性學(xué)科[1]。課程要求學(xué)生全面掌握課程相關(guān)專業(yè)知識，具有一定的綜合應(yīng)用專業(yè)知識能力。因此，在教學(xué)中如何系統(tǒng)地、合理地貫穿相關(guān)知識點，深入淺出，讓學(xué)生不產(chǎn)生畏難心里，激發(fā)學(xué)生興趣，是教學(xué)中的第一個難點。

其次，運動控制系統(tǒng)不僅涉及多門學(xué)科，理論性強，而且工程性和實踐性強，如何使得課程的講解不太枯燥，既要結(jié)合課程進行相關(guān)控制的推導(dǎo)，例如單閉環(huán)比例、積分、比例積分轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速控制系統(tǒng)，其穩(wěn)態(tài)誤差可以通過板書來進行，同時也可以結(jié)合多媒體來進行講解，但是，如何在有限的時間內(nèi)既強化理論知識學(xué)習(xí)，同時強化動手能力和工程能力的提高，則是運動控制系統(tǒng)課程教學(xué)中的第二個難點。

最后，隨著科技的發(fā)展，包括自動控制理論、電力電子等的發(fā)展，運動控制系統(tǒng)課程的內(nèi)容也在不斷地更新，因此授課中緊密結(jié)合科技發(fā)展、合理調(diào)整運動控制系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容，則是課程教學(xué)中的第三個難點。

2.虛擬仿真軟件介紹

MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB下的SIMULINK軟件進行系統(tǒng)仿真是十分簡單和直觀的，用戶可以用圖形化的方法直接建立起仿真系統(tǒng)的模型，并通過SIMULINK環(huán)境中的菜單直接啟動系統(tǒng)的仿真過程，同時將結(jié)果在示波器上顯示出來。

3.虛實結(jié)合改革課堂教學(xué)方法

首先，在理論講課中利用MATALAB進行輔助教學(xué)，例如，運動控制中涉及到的多門學(xué)科問題，可以在講解過程中利用MATALAB軟件進行鞏固學(xué)習(xí)。對于涉及到的電機學(xué)知識，可以利用仿真軟件搭建其數(shù)學(xué)模型，將Simulink與S-function有機結(jié)合搭建電動機的仿真平臺，并圖形化的顯示其運行特性，幫助學(xué)生理解運動控制系統(tǒng)中的被控對象；對于涉及到的電力電子技術(shù)知識，可以利用軟件中的Power System工具箱查找電源、元件、電力電子、電機系統(tǒng)、連接器、測量、演示等模塊組，進行搭建，尤其是對于直流可調(diào)電源，逆變等，有必要利用仿真軟件進行仿真和分析，了解不同的電路結(jié)構(gòu)，器件特性，以及不同的參數(shù)對輸出性能的影響，例如直流可調(diào)電源中單相半波、三相零式和三相橋式全控整流電路，不同結(jié)構(gòu)下最大延遲時間的分析和比較，以及PWM斬波電路在不同開關(guān)頻率下的最大延遲時間比較與分析。對于控制理論，可以利用仿真軟件方便的構(gòu)建對象數(shù)學(xué)模型，控制器的傳遞函數(shù)等，改變參數(shù)并獲得輸出特性。MATLAB /Simu link仿真軟件運用到《運動控制系統(tǒng)》教學(xué)中， 克服了傳統(tǒng)教學(xué)中講解內(nèi)容抽象、手畫圖形不準確和不直觀、教學(xué)內(nèi)容難以擴展等方面的不足[2-3]。

其次，將傳統(tǒng)實驗與虛擬實驗結(jié)合，將理論教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合，在實踐課程講授前下達任務(wù)，同時也可于理論課程提前布置仿真作業(yè)，鼓勵學(xué)生進行仿真、講解和討論。由于運動控制系統(tǒng)是一工程性和實踐性很強的課程，實驗實踐環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的重要環(huán)節(jié)，因此實際設(shè)計、調(diào)試、完善及問題處理非常重要。例如，異步電動機的矢量控制一直以來是學(xué)生非常難以理解的知識點， 可以采用Mtalab/Simulink進行仿真，掌握異步電動機工作原理、建模方法，了解磁鏈控制原理和方法，并進行控制、仿真和分析。通過虛擬實驗環(huán)境建立仿真電路模型， 讓枯燥的電路、 復(fù)雜的波形變得富有趣味；合理調(diào)整授課內(nèi)容，通過對系統(tǒng)進行仿真，演示復(fù)雜系統(tǒng)各參量的調(diào)節(jié)過程， 從而極大調(diào)動學(xué)生的實驗積極性和和探究欲望。在此基礎(chǔ)上，再進入實驗室，在實驗臺上進行真實環(huán)境下的實驗、測試、控制等，讓學(xué)生實驗前、實驗中都清楚實驗方法和理論知識點，當(dāng)實驗中出現(xiàn)異常時，或結(jié)果和數(shù)據(jù)出現(xiàn)問題時，能通過分析進行解決和判斷，從而使學(xué)生更加深入提高動手能力和知識綜合運用的能力。

最后，鼓勵學(xué)生進行各種運動控制的小制作，并進行評比，從而激勵學(xué)生的主動性和創(chuàng)新積極性。在教學(xué)中，可以給與適當(dāng)平時成績加分鼓勵，經(jīng)過實際授課和實施，同學(xué)們普遍積極性較高，能夠以組建比賽小組，完成直流電機、步進電機等的控制器的小制作，使枯燥的理論講授變得生動有趣。

4.總結(jié)

通過引入虛實結(jié)合的授課方法，在運動控制系統(tǒng)理論教學(xué)中引入虛擬仿真教學(xué)，幫助學(xué)生理解知識點，并在實踐教學(xué)中強化實際動手能力，同時鼓勵學(xué)生小作品制作，極大激發(fā)學(xué)生積極性，提升了教學(xué)質(zhì)量，提高了學(xué)生能力。

參考文獻：

[1]阮毅，陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)第4版[M].機械工業(yè)出，2010.1.

[2]沈艷霞， 趙芝璞， 紀志成. Matlab /Smiulink在運動控制系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 貴州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2005，22（2）：435-437.

[3]張樂平.對比、圖解方法在電機及電力拖動基礎(chǔ)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].通化師范學(xué)院學(xué)報，2009，30（4）：98-100.