“運動控制系統(tǒng)”課程教學研究與實踐

李旭超 邊素軒 劉燕

摘 要：深入分析運動控制系統(tǒng)課程的特點及其在當前教學過程中存在的問題，結(jié)合實際教學經(jīng)驗，從理論教學內(nèi)容和實驗教學模式兩方面對教學進行研究，并付諸于教學實踐，提高課程的教學效果。

關(guān)鍵詞：運動控制系統(tǒng)；理論與實踐；教學研究

中圖分類號：TM921 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

隨著自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展，我國高等教育大眾化呈加速發(fā)展態(tài)勢，為適應信息時代市場經(jīng)濟的需求，促進國民經(jīng)濟的發(fā)展，培養(yǎng)既懂理論又有實踐經(jīng)驗的人才，已成為高校自動化專業(yè)教學改革的必由之路。運動控制系統(tǒng)是高等院校自動化專業(yè)的一門核心專業(yè)課，具有很強的理論性與實踐性。其具有以下幾個特點：（1）專業(yè)性。課程的理論性較強，涉及的控制策略種類眾多，隨著微電子的發(fā)展和實際應用的需要，催生新的控制策略不斷涌現(xiàn)，而且有些控制策略具有劃時代的意義。如矢量控制的出現(xiàn)結(jié)束了直流調(diào)速系統(tǒng)一統(tǒng)天下的局面，最終將被交流調(diào)速系統(tǒng)所取代。因此自動化專業(yè)的學生需掌握控制策略的精髓，做到融會貫通，舉一反三。（2）實用性。運動控制系統(tǒng)觸及到工業(yè)的各個領(lǐng)域，是社會發(fā)展的助推劑，是自動化專業(yè)本科生步入實際工程應用的向?qū)Ш蜆蛄?。?）綜合性。它以自動控制原理、電力電子變流技術(shù)、電機與拖動、模擬電子技術(shù)、單片機原理與程序設(shè)計等專業(yè)基礎(chǔ)課為基礎(chǔ)，以高等數(shù)學、復變函數(shù)、積分變換和線性代數(shù)等工程數(shù)學為工具，以工程應用為背景，發(fā)展起來的一門綜合專業(yè)課，是自動化專業(yè)幾乎所有課程的綜合運用和升華。（4）實時性。由于專業(yè)基礎(chǔ)課的飛速發(fā)展和控制策略日新月異，促使運動控制系統(tǒng)必須與時俱進，適應新形勢工業(yè)的需求。

因此，既要使課程的內(nèi)容跟隨時代的發(fā)展，又要完成教學規(guī)定的授課內(nèi)容，使學生充分理解課程體系，對于教、學此門課程具有一定難度和挑戰(zhàn)。

2 教學中發(fā)現(xiàn)的問題（Meeting problem in teaching）

在教學過程中，教師感覺到教材理論內(nèi)容多、課時緊、控制策略陳舊，實踐內(nèi)容落后、設(shè)備不能與時俱進；學生感覺到理論內(nèi)容龐雜、控制策略很難理解、與實際應用嚴重脫節(jié)，實踐內(nèi)容枯燥、操作單一、不能加深對理論知識的理解。具體表現(xiàn)在以下幾方面：（1）教學課時不足。本門課程包含交、直流運動控制系統(tǒng)兩部分，既要講解基本原理和方法，又要理論聯(lián)系實際，強調(diào)工程實踐，做到學以致用，在有限的48學時內(nèi)難以完成。（2）教材的通用性。目前，運用的教材主要講解交、直流運動控制系統(tǒng)的基本原理，沒有將理論知識與應用對象有機地結(jié)合在一起，缺乏工程應用的意識，導致理論教學與實際應用相脫節(jié)。而且教材的內(nèi)容缺乏時代信息，不能體現(xiàn)新的控制策略在實際工程中的應用。（3）理論內(nèi)容多、雜、難懂。由于新的控制策略不斷涌現(xiàn)，應用對象千變?nèi)f化，導致內(nèi)容急劇增加；新的控制策略是已有控制策略的變革或改進，在講解時必須介紹其產(chǎn)生的相關(guān)理論基礎(chǔ)，學生感到內(nèi)容龐雜，學習無從下手；新的控制策略建立的基礎(chǔ)是工程數(shù)學在控制理論中的深入應用，必須面對復雜的數(shù)學推導，學生搞不清是在學數(shù)學還是在學控制理論，從而感覺到抽象難懂。（4）學生參差不齊。隨著高校的擴招，我國的高等教育已進入到大眾化教育階段，學生的學習素質(zhì)較精英教育具有一定的差距，而運動控制系統(tǒng)理論飛速發(fā)展，課程的難度逐漸加深，同時與所學的專業(yè)基礎(chǔ)課和工程數(shù)學課密切相關(guān)，課程跨度大，因此對于那些基礎(chǔ)較差和某些環(huán)節(jié)較弱的學生來說很難掌握授課內(nèi)容。此外，由于教改的原因，學時的相對減少，加劇學生難以駕馭課程的局面。（5）動手能力的欠缺。盡管學校對學生的實踐比較重視，對實踐教學內(nèi)容進行相應地調(diào)整，但把理論知識與控制對象有機地融合在一起做成實際裝置，學生就感覺到無從下手，特別是對運動控制策略程序的編寫，學生望而生畏，從而制約學生對基本運動控制原理的深入理解。（6）實驗裝置的單一性。目前，運動控制系統(tǒng)實驗裝置主要是驗證性試驗，學生只需按操作手冊的流程進行連線，在器件完好的條件下，就能得到正確的結(jié)果，學生很難深究裝置是如何與理論知識有機地結(jié)合。由于實驗裝置固定，導致實驗內(nèi)容固定、陳舊，沒有新意，不能與時俱進。新控制策略往往建立在微處理器的基礎(chǔ)上，如矢量控制算法芯片，已有設(shè)備不能滿足矢量控制策略的需要，制約學生對控制策略的深入理解，抹殺學生分析與解決矢量控制策略的應用。

針對上述問題，結(jié)合幾年來的教學經(jīng)驗，對運動控制系統(tǒng)課程理論教學內(nèi)容和實驗教學模式等方面進行研究并付諸于實踐，取得較好的教學效果。

3 理論教學方面研究（Research of theory teaching）

3.1 合理選用教材和安排教學內(nèi)容

運動控制系統(tǒng)課程主要由直、交流控制系統(tǒng)兩部分組成，根據(jù)教學大綱，我院理論課教學為32學時，要求教師在有限的學時內(nèi)既要將知識傳授給學生，又要考慮學生的實際情況。在授課前，教師首先要明確教學要求，同時要結(jié)合最新的技術(shù)，更新教學內(nèi)容。根據(jù)大綱，選用一本囊括運動控制系統(tǒng)兩部分內(nèi)容的教材作為參考書，但有些內(nèi)容沒有展開；兩本與主教材具有知識互補的教材作為輔助參考書，主要是完善和展開主教材某些內(nèi)容；參考國內(nèi)、外運動控制系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)論文，對某些控制策略進行深入講解，利用網(wǎng)絡(luò)資源捕捉新控制策略在實際工程中的應用；結(jié)合教師的實際工程，對上述資料進行融合，突出重點，整理出授課講義，消除已有教材的通用性問題。在內(nèi)容安排上，為克服內(nèi)容多學時少的矛盾，我們將基本概念和基本原理穿插到實際工程的案例中進行講解，不單獨講解理論及基本概念。如直流運動控制系統(tǒng)的最終目的是引出位置、轉(zhuǎn)速和電流三環(huán)控制系統(tǒng)，我們選擇大學生電子大賽自動駕駛小車作為案例。首先介紹小車內(nèi)環(huán)對電流的要求，然后過渡到小車對速度的要求，最后引出小車對位置的要求，將單環(huán)、雙環(huán)和三環(huán)控制環(huán)節(jié)有機地組合在一起，讓學生對直流調(diào)速系統(tǒng)進行整體認識。在講解三個環(huán)節(jié)的過程中，先講電流內(nèi)環(huán)，內(nèi)容包括小車對電源的要求，引出電源的基本控制方式及數(shù)學模型，然后建立控制對象小車的數(shù)學模型，根據(jù)小車對電流的要求給出采用閉環(huán)控制的理論依據(jù)，為滿足小車對電流的要求引出PID控制策略。在涉及到每一個知識點時進行展開講解，如PID控制器的模擬數(shù)學模型和離散數(shù)學模型，及PID控制器的變種和參數(shù)整定等，在模擬控制器的基礎(chǔ)上引出數(shù)字控制器工程設(shè)計方法，最后結(jié)合小車案例完成對電流內(nèi)環(huán)PID控制器設(shè)計，然后再講解轉(zhuǎn)速環(huán)和位置環(huán)設(shè)計，注意內(nèi)環(huán)與外環(huán)的聯(lián)系和區(qū)別，案例講完了，直流調(diào)速系統(tǒng)部分也就結(jié)束了。在講解交流調(diào)速系統(tǒng)時，緊緊圍繞轉(zhuǎn)差率的概念，分為轉(zhuǎn)差功率消耗型和回饋型異步電動調(diào)速系統(tǒng)，以及轉(zhuǎn)差功率恒定型異步、同步電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)[1]。對于轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)，由于已在電機與拖動課程講過，我們在大綱中砍掉此部分內(nèi)容。對于轉(zhuǎn)差功率恒定型調(diào)速系統(tǒng)，兩者的共性是都需要變壓變頻，因此對PWM技術(shù)和電壓矢量空間控制技術(shù)首先進行重點介紹，這部分是交流調(diào)速系統(tǒng)的核心內(nèi)容。然后根據(jù)個性的不同，分別介紹異步和同步電動機數(shù)學模型。對于轉(zhuǎn)差率恒定型調(diào)速系統(tǒng)，我們創(chuàng)新實驗室建立一個基于DSP轉(zhuǎn)差率恒定型調(diào)速系統(tǒng)應用平臺，根據(jù)應用對象不同，使用不同插件，對動態(tài)不同模型，通過軟件進行調(diào)節(jié)。這樣學生就能將異步、同步電動機調(diào)速系統(tǒng)的思路整合到一起，不至于感覺到知識龐雜。而且是用軟件將矢量控制算法的實現(xiàn)與應用對象有機地結(jié)合，加深學生對矢量控制和同步、異步電動機數(shù)學模型的理解。對于轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)，為跟隨時代的發(fā)展，我們結(jié)合雙饋型風力發(fā)電技術(shù)和Mita公司的控制器進行講解，讓學生感到學習的緊迫感和使命感。

3.2 課堂設(shè)立疑問，激發(fā)學生的興趣

在課堂上，由于理論講解比較枯燥，同時又涉及許多令人頭疼的數(shù)學推導，很多學生聽課抓不住重點，可能逐漸失去興趣，因此教師在講解的過程中要適當設(shè)立疑問，激發(fā)學生的興趣，帶著問題和思考去聽課，充分發(fā)揮學生的主觀能動性，這樣將收到事半功倍的效果。如在講解轉(zhuǎn)速、電流雙環(huán)反饋運動控制系統(tǒng)時[2]，提問學生電流單環(huán)反饋環(huán)節(jié)可以簡化成一個對象嗎？提示學生，在自動控制原理中，能把多個方框圖表示的反饋系統(tǒng)化簡成一個方框圖嗎？電流內(nèi)環(huán)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)是為了維持電流穩(wěn)定，那么要維持速度穩(wěn)定，應采取怎樣的控制方法呢？電流反饋環(huán)節(jié)如果能簡化成一個控制對象，那么從廣義上來說，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)也可以看成單閉環(huán)系統(tǒng)，使學生認識到雙閉環(huán)系統(tǒng)是單閉環(huán)系統(tǒng)的擴充，那么學生對三環(huán)控制系統(tǒng)的理解就變得非常容易，學生掌握多環(huán)運動控制系統(tǒng)就會得心應手。

3.3 增強課程間的聯(lián)系

注意課程間的橫向聯(lián)系。一個完整的運動控制系統(tǒng)由許多環(huán)節(jié)組成，為描述每一個環(huán)節(jié)，必須建立數(shù)學模型，因此可以將自動控制原理建立數(shù)學模型方法融入到運動控制系統(tǒng)建模中。如控制對象為電機，在建模前，先回顧電機學和電路基本知識，然后講解電機數(shù)學模型建立方法；對于整流環(huán)節(jié)建模，回顧電力電子變流技術(shù)。在講解運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)時，讓學生回顧單片機、DSP和ARM處理器的優(yōu)缺點，哪些微處理器帶有PWM波形發(fā)生器。通過相關(guān)課程交叉回顧，激活各門課程間的聯(lián)系，將所學課程有機地結(jié)合在一起，使學生理順運動控制系統(tǒng)與相關(guān)課程的關(guān)系。學生根據(jù)課程的內(nèi)容，意識到本身知識的欠缺和不足，帶著問題，主動學習相關(guān)課程和查詢資料，這個過程是各門課程升華最快的階段，是學生能力提高的關(guān)鍵，也是學生實踐的前奏。

注意課程的縱向聯(lián)系。做好已學章節(jié)向新知識點的過渡與銜接，采用回顧—引申—正題的方法。例如，模擬運動控制向數(shù)字運動控制過渡中，先回顧模擬運動控制的基本構(gòu)成環(huán)節(jié)，特別是由運算放大器、電阻和電容構(gòu)成的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器，然后啟發(fā)學生如何編寫程序?qū)崿F(xiàn)上述算法。若電流調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器都采用PI校正裝置，可以編寫一個子程序，學生帶著問題，深入思考兩個調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，明確二個調(diào)節(jié)器具有相同的算法結(jié)構(gòu)，僅僅是控制器的系數(shù)不同，因此，主程序調(diào)用子程序傳遞不同的參數(shù)就能實現(xiàn)，學生將深入理解程序調(diào)用原理。最后引出“微機數(shù)字控制雙環(huán)運動控制系統(tǒng)”正題，將模擬控制各個環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換成相應數(shù)字環(huán)節(jié)，那么學生對數(shù)字控制就更容易接受。

3.4 理論聯(lián)系實際

在理論講解過程中，為跟隨時代發(fā)展，多舉實際前沿例子。如講解定值運動控制系統(tǒng)時，以我國“嫦娥探月工程”作為例子，其升空及變軌過程是按存儲在微控制器預定曲線進行的。在講解變頻控制優(yōu)點時，用成龍做的“要省電30%的格力變頻空調(diào)”廣告，以及無霜變頻冰箱的應用等。將高頻變換器與新能源聯(lián)系起來，如風力和太陽能發(fā)電，激發(fā)學生興趣，使學生體會到控制系統(tǒng)就在身邊。

4 實踐教學方面研究（Research of practice teaching）

運動控制系統(tǒng)是一門實踐性較強的專業(yè)課，通過實驗，培養(yǎng)學生邏輯思維和創(chuàng)新能力，增強學生實際操作和動手能力，加深對理論知識理解，反過來再用理論指導實踐，這樣就形成良性循環(huán)。我校教學大綱實驗課為16學時，2學時仿真實驗、4學時驗證性試驗、4學時現(xiàn)場參觀和6學時設(shè)計性實驗，滿足不同層次學生需求。大部分學生的實踐教學根據(jù)教學大綱來進行，同時注重個性培養(yǎng)，對那些基礎(chǔ)較好的學生，為其創(chuàng)造實際應用環(huán)境。如我校成立大學生實驗創(chuàng)新實驗室，學生的能力在那里得到進一步提高。

4.1 利用MATLAB進行仿真實驗

為了對理論內(nèi)容進行透徹地理解，在講完每一小節(jié)內(nèi)容后，教師都圍繞課上內(nèi)容布置仿真實驗作業(yè)，要求學生畫出原理圖，給出每一環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，然后利用Matlab/Simulink軟件進行仿真[3]，并對結(jié)果進行分析。通過Matlab仿真實驗，加深對運動控制相關(guān)知識點的理解。在實驗課上，教師布置交、直流運動控制系統(tǒng)綜合仿真實驗題目各一道，檢驗學生對相關(guān)知識點的掌握和理解情況。這是從理論到仿真的過程，實驗消耗少、不受時間與地點制約，只需一臺電腦輔以相應的軟件就可以進行，大大降低教學成本，為學生自主學習提供便利，充分發(fā)揮學生的潛能。

4.2 基礎(chǔ)性驗證型實驗

這個階段的實驗模塊相對固定，對學生約束力較強，實驗要少而精，但是絕對不能沒有，因為涉及到強電，教師要詳細講解實驗注意事項和操作流程。我校開設(shè)的驗證型實驗有兩個：轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)，SPWM正弦脈寬調(diào)制變頻器-異步電動機調(diào)速系統(tǒng)[4]。此階段是從仿真到控制系統(tǒng)實驗的轉(zhuǎn)換過程，是實踐的初步。通過實驗，學生掌握運動控制系統(tǒng)調(diào)試及參數(shù)整定方法，調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響?；仡櫛緦嶒炗玫降睦碚撝R，這些知識點是如何有效地組合在一起的，達到理論與實踐的初步融合，為學生后續(xù)設(shè)計性實驗打下堅實基礎(chǔ)。通過實驗報告，使學生由被動思考變?yōu)橹鲃铀伎迹岣叻治鰡栴}與解決問題的能力。

4.3 現(xiàn)場工業(yè)參觀

以往是在教學結(jié)束后，組織學生進廠參觀學習。但由于課程已經(jīng)結(jié)束，學生沒有壓力，同時對所學知識一頭霧水，實習效果并不理想。我院針對這一問題，把課程結(jié)束實習穿插在課程中進行，將課堂教學與實踐教學有機地結(jié)合，此過程是從直觀到實際認知的過程。這樣做的好處是，通過現(xiàn)場工業(yè)參觀及時解決抽象的理論問題，對整個運動控制系統(tǒng)有個直觀的認識。回到課堂后，教師將工業(yè)直觀對象進行抽象，上升到理論的高度，這樣學生就不是盲目地接受理論。

4.4 設(shè)計性實驗

設(shè)計性實驗是在我校綜合實驗室進行的。首先給出設(shè)計課題，設(shè)計題目不要過于簡單，太簡單達不到訓練知識點的目的，但也不要太難，太難容易使學生喪失信心。最好選擇那些學生看起來容易，但做起來不容易，覆蓋知識面廣的題目。結(jié)合我校單片機實驗室、DSP實驗室、嵌入式系統(tǒng)實驗室、傳感器實驗室、電機與運動控制實驗室，我們給學生布置的設(shè)計題目是“全數(shù)字PWM調(diào)速系統(tǒng)的電動機控制”，這個題目類似于驗證性的實驗，但又不是，在某種程度上超出驗證性試驗。對于微處理器的選擇，取決于學生的興趣和對處理器的掌握程度，具有很大的靈活性。同時實驗平臺具有開放性，既可以選擇直流又可以選擇交流調(diào)速。這樣學生就能對這學期所有的內(nèi)容進行回顧，鞏固所學的理論知識，培養(yǎng)學生學習的主動性和解決實際問題的能力，加強理論知識與實際應用的結(jié)合。教師給出實驗的目的、要求和適當?shù)奶崾?。要求學生給出設(shè)計方案、實驗方法和步驟，撰寫技術(shù)文檔，分析實驗結(jié)果。這個過程是從實際認知到滿足實際應用需求的實踐過程，與工廠實際設(shè)計過程類似，克服學生理論學習與實際工程相脫節(jié)的現(xiàn)象，解決學生動手能力的不足。學生走向社會就不會對實際控制系統(tǒng)的設(shè)計感到陌生和畏懼，也潛移默化地使學生對運動控制系統(tǒng)相關(guān)課程自主學習，將理論知識轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，滿足社會對創(chuàng)新人才的需求。

5 結(jié)論（Conclusion）

從理論教學和實踐教學兩方面出發(fā)，以培養(yǎng)理論與實踐并重的復合型人才為最終目標。從理論教學和實踐教學兩方面探討“運動控制系統(tǒng)”課程的教學與實踐，為社會輸送合格的專業(yè)技術(shù)人才。本文討論的運動控制系統(tǒng)教學研究方案，已成功應用于電氣工程及自動化專業(yè)，學生對課程的教學方案比較滿意，教學效果較好，學校的教學評估為“優(yōu)”。

參考文獻（References）

[1] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)—運動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[2] 姚舜才，溫志明，黃剛.運動控制系統(tǒng)分析與應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[3] 周淵深.交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真[M].北京：中國電力出版社，2010.

[4] 馮垛生.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

作者簡介：

李旭超（1974-），男，博士，副教授.研究領(lǐng)域：調(diào)和分析在信息處理中的應用.

邊素軒（1977-），女，本科，副主任護士.研究領(lǐng)域：醫(yī)學圖像處理.

劉 燕（1963-），女，碩士，教授.研究領(lǐng)域：信息處理與應用.