“運動控制系統(tǒng)”課程教學探討與實踐

陳 霞，張開如

(山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東青島266590)

“運動控制系統(tǒng)”是自動化專業(yè)的主干課程。該課程與其它專業(yè)課相比，具有以下特點:①涉及的知識點多、知識面廣，內(nèi)容涉及“自動控制原理”、“電機與拖動”、“電力電子技術(shù)”等專業(yè)課程;②系統(tǒng)性、實用性強，是一門強弱電結(jié)合、電力與電子技術(shù)結(jié)合、軟件與硬件結(jié)合、元件與系統(tǒng)結(jié)合的專業(yè)課程;③通用性強，運動控制系統(tǒng)所研究的內(nèi)容是過程控制系統(tǒng)和機器人控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，具有通用性。該課程是自動化專業(yè)教學難度比較大的一門課程。

鑒于上述特點，為達到本課程教學培養(yǎng)目標，需協(xié)調(diào)好理論教學、實驗教學以及與多學科的融合關(guān)系，這對學生和教師都提出了較高的要求，筆者根據(jù)多年教學經(jīng)驗，就“運動控制系統(tǒng)”課程的教學談幾點體會。

1 整合教學內(nèi)容，注重課程融合

整合教學內(nèi)容的目的就是強調(diào)“運動控制系統(tǒng)”課程本身的系統(tǒng)性和教學內(nèi)容的關(guān)聯(lián)延續(xù)性[1]。由于“運動控制系統(tǒng)”課程涉及的知識點多、知識面廣，和前續(xù)多門課程相關(guān)聯(lián)，在課堂教學中，教師應(yīng)根據(jù)教學內(nèi)容，對涉及的相關(guān)知識點進行簡要的穿插回顧，以使教學內(nèi)容無縫連接，使學生將學過的知識和所研究的運動控制有機地融合在一起。

作為一個實例，教師在開始講授閉環(huán)系統(tǒng)時，可以把以前與運動相關(guān)的專業(yè)知識與它融合到一起，可突出兩部分:

(1)能量變換裝置:由于實現(xiàn)電氣能量形態(tài)變換的電力電子變換裝置已經(jīng)在專業(yè)基礎(chǔ)課“電力電子技術(shù)”中講過，所以本課程僅簡單復(fù)習所要用到的有關(guān)內(nèi)容，把兩門課程融合起來即可[2];

(2)負載拖動:在單閉環(huán)運動控制系統(tǒng)的學習過程中，可將專業(yè)基礎(chǔ)課“電機及拖動基礎(chǔ)”中有關(guān)拖動的知識點提出，并重點講解它與單閉環(huán)控制系統(tǒng)的聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上通過對工程實際運動控制系統(tǒng)的剖析，研究基本的控制規(guī)律和實現(xiàn)的原理，用系統(tǒng)的觀點去講授教學內(nèi)容，循序漸進地由簡單系統(tǒng)向復(fù)雜系統(tǒng)過渡，讓學生在理解基本原理的基礎(chǔ)上，建立基本控制系統(tǒng)分析與綜合的概念和方法，使學生在完成本課程的學習后，具有基本的控制系統(tǒng)工程設(shè)計能力和初步的研發(fā)能力。

2 理論聯(lián)系實際，內(nèi)容循序漸進

課程教學過程中，注意理論聯(lián)系實際，可以引入日常生活所接觸到的拖動系統(tǒng)，如空氣壓縮機、提升機、恒壓供水和龍門刨等作為例子，通過分析這些拖動系統(tǒng)的工作原理，將課本上的知識與現(xiàn)實中的例子進行點對點連接，給學生建立起明確的目標和控制對象，使學生擺脫純理論學習帶來的枯燥無味感覺，學生學習的興趣就會提高起來。

教學內(nèi)容要循序漸進。在講授新的問題之前，對已學內(nèi)容進行適當總結(jié)，分析其優(yōu)點和不足之處，引出解決問題的可能途徑，為新的內(nèi)容講授埋下伏筆。例如:在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的教學過程中，實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)速有多種方案，若只是把這些方案逐一灌輸給學生，學生很難全面掌握，這就需要教師精心安排教學內(nèi)容，在原始系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，始終以電動機調(diào)速為主線，通過提出問題、應(yīng)用已學相關(guān)課程的理論分析問題、然后解決問題的方式，堅持循序漸進、由簡到繁地引入新的方案，就能化解學生的畏難情緒，使相關(guān)內(nèi)容變得易于理解和掌握。

3 改進教學方法，激發(fā)學習興趣

3.1 抓住主線，突出重點

“運動控制系統(tǒng)”是一門理論聯(lián)系實際很強的課程。從基礎(chǔ)理論上看，它綜合了多門已修課程的內(nèi)容，從實際應(yīng)用方面看，它又是應(yīng)用極為廣泛的實際系統(tǒng)。這就要求在講授時應(yīng)沿著一條主線，圍繞這條主線講清楚重點和難點內(nèi)容。

直流調(diào)速部分教學主要以閉環(huán)控制系統(tǒng)為主線。主線設(shè)計可分以下幾步:①利用“電機與拖動”課程中講述的電動機機械特性、速度控制原理與方法，引出相應(yīng)的調(diào)速方案[3];②利用自動控制原理所學內(nèi)容，建立控制系統(tǒng)數(shù)學模型，并根據(jù)數(shù)學模型，計算滿足系統(tǒng)性能指標的調(diào)節(jié)器參數(shù);③利用自動控制原理的知識，計算其靜態(tài)特性和動態(tài)穩(wěn)定性，并在計算結(jié)果的基礎(chǔ)上進行校正;④利用仿真軟件根據(jù)校正前后的參數(shù)模擬對比運行，觀察對比結(jié)果，印證所學理論知識。

交流調(diào)速部分的教學主要以變頻為主線。為什么要以變頻為主線呢?在學習已修課程“電機與電力拖動”時，電動機的基本特性方程是在工頻交流電、氣隙磁通不變的情況下得到的。而在交流調(diào)速中推導電動機機械特性時，除要考慮交流電的頻率變化外，還要考慮恒定子磁通、恒氣隙磁通和恒轉(zhuǎn)子磁通等情況。如何考慮這些元素呢?一般的教材很少給予交代，在后續(xù)課程才會講授相關(guān)的內(nèi)容，就造成教學內(nèi)容的不連貫。此時用變頻調(diào)速把此處貫穿起來，就形成了一條非常清晰的主線，從原理上講可以得到變頻調(diào)速的幾種類型，即恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量變換控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等[4]。

3.2 數(shù)學推導與物理概念有機結(jié)合

由于變頻調(diào)速技術(shù)的飛速發(fā)展，利用數(shù)學變換來實現(xiàn)某些控制策略已是必不可少的內(nèi)容，教學中若處理不好數(shù)學變換過程的講解，就會將課程內(nèi)容變成枯燥的純數(shù)學推導，會使學生對理論推導內(nèi)容與變頻調(diào)速之間的關(guān)系混淆不清，因此必須將數(shù)學推導與相應(yīng)的物理概念有機結(jié)合，使數(shù)學推導由物理概念來支撐，給原理性物理概念找到數(shù)學理論依據(jù)，這樣學習起來就會目的明確、概念清晰，使學生有興趣去研究數(shù)學變換。

下面以交流調(diào)速部分學生反映難于理解的矢量變換變頻調(diào)速為例，來說明數(shù)學推導與相應(yīng)的物理概念如何結(jié)合。在矢量變換變頻調(diào)速部分，提出坐標的旋轉(zhuǎn)變換概念，有兩個問題必須解決[4]:

(1)坐標的旋轉(zhuǎn)變換的物理概念和變換方法，應(yīng)從三相異步電動機的工作原理入手。三相異步電動機接入三相交流電后，會在定轉(zhuǎn)子氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢，切割閉合的轉(zhuǎn)子導體，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流，而載流導體在磁場中會受到力的作用，這樣就會使得轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)起來。如果把三相定子繞組所在的軸線分別定義為A、B、C軸，由于定子繞組是不動的，稱這種坐標系為三相靜止坐標系，這樣就引出了三相靜止坐標系的概念。

(2)變換應(yīng)遵循什么樣的條件，應(yīng)以產(chǎn)生等效的磁動勢為前提，只要其大小和旋轉(zhuǎn)的速度一樣，對同一個轉(zhuǎn)子而言，其結(jié)果就是一樣的，這就是變換條件。此處可分幾步講解:①首先考慮兩相交流電動機，在兩相定子繞組中通以相位互差90度的正弦交流電，這樣將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，如果大小和轉(zhuǎn)速與通以三相交流電時一樣，其結(jié)果就是一樣的。這樣就將三相交流電動機變換為兩相交流電動機工作，坐標為互相垂直的直角坐標系，由于此時定子繞組是不動的，稱這種坐標系為兩相靜止坐標系;②其次考慮將兩相交流電動機的繞組通以直流，使它產(chǎn)生的合成磁動勢與通以交流電時一樣，其結(jié)果是由于磁動勢不旋轉(zhuǎn)，對轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生任何力，轉(zhuǎn)子不可能轉(zhuǎn)起來。設(shè)想用外力拖動使這個坐標系以上述旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，對同一個轉(zhuǎn)子而言，其結(jié)果是一樣的，但此時的坐標系是旋轉(zhuǎn)的，繞組通的是直流電，因此把此坐標系稱為旋轉(zhuǎn)坐標系。如果此時的磁動勢大小和速度與前面所講的一樣，對同一個轉(zhuǎn)子來說其效果是一樣的，這就從原理上說明了，盡管坐標系不一樣，但結(jié)果是相同的。假定人站在旋轉(zhuǎn)的坐標系上，人相對于坐標系而言，此坐標系正是直流電動機的等效坐標，這樣就把交流電動機最終等效為直流電動機的模型，交流電動機控制就可以應(yīng)用直流電動機的控制方法實現(xiàn)。

4 增加創(chuàng)新實驗，注重課程設(shè)計

4.1 驗證性實驗與創(chuàng)新性實驗

“運動控制系統(tǒng)”的實驗課程主要是驗證性的，其實驗步驟為原理講解、電路連接和過程調(diào)試等。在這一過程中，為盡量避免讓學生“依葫蘆畫瓢”式操作，教師應(yīng)引導學生用工程思維來完成實驗，不要只注意驗證結(jié)果，要研究實驗對象的特性，有什么樣的功能，能為什么地方服務(wù)。例如:測試調(diào)速系統(tǒng)各單元部件的特性、功能及參數(shù)，其主要作用是為運用工程方法設(shè)計后續(xù)實驗的控制器參數(shù)做鋪墊。

對于其創(chuàng)新性實驗，主要是運用已測得的系統(tǒng)參數(shù)及各種調(diào)速方法，對構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制器進行理論設(shè)計與實驗調(diào)試，從而滿足系統(tǒng)要求的性能指標，這就要求學生以完成課題的方式完成實驗:①首先學生要在教師的指導下提出設(shè)計方案，設(shè)計出控制系統(tǒng)主電路;②確定調(diào)速方案;③建立控制系統(tǒng)數(shù)學模型;④依工程設(shè)計方法設(shè)計調(diào)節(jié)器參數(shù);⑤利用仿真軟件設(shè)計模擬系統(tǒng)，觀察設(shè)計效果是否能滿足性能指標要求，根據(jù)結(jié)果修正設(shè)計的調(diào)節(jié)器參數(shù);⑥最后進實驗室進行硬件調(diào)試。一個創(chuàng)新性實驗可以涵蓋多門課程的知識點，使學生在實踐中把它們有機地結(jié)合起來，融會貫通，加深了對“運動控制系統(tǒng)”相關(guān)理論知識的認識、理解與應(yīng)用。

4.2 課程設(shè)計教學環(huán)節(jié)

“運動控制系統(tǒng)”課程設(shè)計是為了使學生更好地掌握理論教學內(nèi)容而進行的，它將以前所學的多門課程知識整合在一起，開發(fā)出一個實際的運動控制系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)里既有硬件電路設(shè)計，又有軟件設(shè)計，將運動控制課程群的核心課程所傳授的知識無縫銜接，提高學生分析、解決問題的能力。通過研究這樣一個綜合性的應(yīng)用系統(tǒng)，學生畢業(yè)后基本可以勝任企業(yè)的研發(fā)工作。

4.3 計算機輔助分析軟件的應(yīng)用

由于運動控制系統(tǒng)中有許多復(fù)雜、抽象的電動機控制算法，如果讓學生借助于計算機分析、研究這些算法，能提高學生學習的主動性，因此在教學過程中教師要重視普及計算機輔助分析軟件的應(yīng)用，加深學生對基本理論和應(yīng)用系統(tǒng)的理解。

這個問題的難點是只有部分學生具備靈活使用這些工具的能力，對此可采用多步走的方式:①根據(jù)現(xiàn)有實驗條件，結(jié)合理論課內(nèi)容，首先讓學生完成驗證性的簡單應(yīng)用系統(tǒng)的實驗內(nèi)容;②將這些簡單應(yīng)用系統(tǒng)作為任務(wù)布置給學生，讓學生嘗試著采用仿真軟件完成，例如:讓學生利用Matlab軟件完成單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真;③在學會熟練使用仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，完成復(fù)雜系統(tǒng)的仿真，并進行仿真驗證。通過對仿真結(jié)果的比較，找到參數(shù)與結(jié)果之間的內(nèi)在關(guān)系，為學生實際調(diào)試時調(diào)整方向提供依據(jù);④在此基礎(chǔ)上鼓勵學生完成實際復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)的電路制作、焊接和調(diào)試。

5 結(jié)語

通過對“運動控制系統(tǒng)”教學的不斷探索，合理安排課堂的教學、實驗內(nèi)容，在教學過程中注意教學方法與技巧的改革，提高了“運動控制系統(tǒng)”課程的教學質(zhì)量，使原本較難學習的“運動控制系統(tǒng)”課程易于理解，容易掌握，收到了較好的教學效果。

[1]鮑建宇，劉毅華，崔家林.運動控制課程群的實踐教學改革研究[J].合肥市合肥工業(yè)大學學報(社會科學版)，2010，(1)

[2]程瓊，鄭建勇，廖冬初.“電力電子技術(shù)”課程改革新探討[J].南京 電氣電子教學學報，2009，(2)

[3]張昌華，陳勇，黃琦.“電機與拖動基礎(chǔ)”課程實施研究型教學改革的探討與實踐[J].北京中國電力教育，2009，(129)

[4]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)[M].3版.北京:機械工業(yè)出版社，2003.1.全部英文改為