“運動控制系統(tǒng)”課程教學改革與實踐

邵雪卷， 張井崗， 陳志梅， 于少娟

(太原科技大學 電子信息學院， 山西 太原 030024)

“運動控制系統(tǒng)”課程教學改革與實踐

邵雪卷， 張井崗， 陳志梅， 于少娟

(太原科技大學 電子信息學院， 山西 太原 030024)

本文針對“運動控制系統(tǒng)”這門綜合性和實踐性很強的課程，就其改進教學方式和加強實踐教學環(huán)節(jié)兩方面進行探討，給出了適合本校學生學習的教學方法。教學實踐表明，這種做法提高了“運動控制系統(tǒng)”的課程教學質(zhì)量，激發(fā)了學生的學習積極性并取得了良好的教學效果。

運動控制系統(tǒng)；教學方式；實踐教學

0 引言

“運動控制系統(tǒng)”是自動化專業(yè)的核心專業(yè)課程。該課程依賴的基礎(chǔ)課程較多，知識面廣，覆蓋“電機與拖動”、“電力電子技術(shù)”、“模擬電子技術(shù)”、“自動控制理論”、“計算機控制技術(shù)”等課程的相關(guān)基礎(chǔ)知識[1,2]；而且其涉及的知識實際應(yīng)用非常廣泛，是一門綜合性非常強、 理論與實際結(jié)合緊密的課程。在教學過程中很多學生反映學習該課程的難度比較大，理解起來比較困難。

針對“運動控制系統(tǒng)”教學過程中存在的問題，國內(nèi)許多高校對該課程教學進行了改革探索[3-7]，取得了不錯的效果。文獻[3]結(jié)合實際教學條件，從教學方式和發(fā)揮Matlab/Simulink的作用及加強實踐環(huán)節(jié)等方面對課程教學進行了改革。文獻[4，5]利用 Matlab的Simulink和Power System工具箱設(shè)計了運動控制系統(tǒng)仿真實驗。為了培養(yǎng)學生的學習興趣和工程實踐能力，文獻[6，7]對運動控制實驗教學進行了改革。

筆者根據(jù)多年來對這門課程的教學經(jīng)驗，結(jié)合本校的實際情況，在教學過程中及時調(diào)整教學方法與技巧，加強學生的實驗與實踐能力，培養(yǎng)學生學習這門課程的主動性和積極性，力求在教學過程中能夠注重學生的基礎(chǔ)理論知識的理解與掌握，加強課程的實踐性教學內(nèi)容。

1 改進教學方式

1.1 處理好先修課程與本課程的關(guān)系

“運動控制系統(tǒng)”是一門綜合性比較強的課程，經(jīng)常第一節(jié)課結(jié)束后便有學生反映說自己的電機或電力電子技術(shù)基礎(chǔ)較差，對上好這門課程沒有信心。實際上，“運動控制系統(tǒng)”只是用到部分或少部分先修課程的內(nèi)容，例如對于電機與拖動，只涉及到電機的機械特性方程及調(diào)速的基本方法，并不涉及電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；對于電力電子技術(shù)，只需掌握整流與逆變的基本概念；對于自動控制，也只需知道一個完整的自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成。因此，我們在第一節(jié)課就給學生說清這些內(nèi)容，鼓勵學生學好本課程；在授課過程中也不一味強調(diào)先修課程的重要性，以免學生由于對先修課的相關(guān)知識掌握不夠深入或由于遺忘較多而產(chǎn)生對本門課程的厭煩情緒。當用到相關(guān)先修課程的知識點時，就提前告訴學生課下預習或在上課前簡單地復習一下相關(guān)內(nèi)容。這樣既解決了學生的心理問題，又有利于學生掌握本門課程的內(nèi)容。

1.2 變換角色

課堂教學是以教師主講形式進行的。對于相對比較簡單的章節(jié)內(nèi)容，可讓學生在課下自己先預習，去圖書館查閱相關(guān)資料，自己備課，然后課堂上讓盡可能多的學生走上講臺，根據(jù)學生自己對內(nèi)容的理解進行講解。然后教師再針對學生在講解中出現(xiàn)的問題，對知識點做一些歸納和總結(jié)。這種方法不僅有利于培養(yǎng)學生的語言表達能力，而且鍛煉了他們的膽量、邏輯思維能力和對新知識的自學能力。

1.3 單元消化法

“運動控制系統(tǒng)”課程內(nèi)容較多，在教學過程中，讓學生每學完一章寫一個總結(jié)，對知識點進行梳理及消化。這樣可以使學生及時了解自己對本章節(jié)內(nèi)容的掌握情況，知道自己對哪些知識點掌握得比較好，哪些知識點理解得還不太透徹，哪些知識點根本沒有理解，做到及時查缺補漏。下節(jié)課開課前花幾分鐘時間對上節(jié)課做一個簡單的回顧，讓學生做到 “溫故而知新”；每節(jié)課最后幾分鐘，對本節(jié)內(nèi)容做一個簡短的總結(jié)，明確告訴學生哪些地方是重點，哪些只需一般了解，讓學生做到復習時有的放矢。各章之間雖然有一定的聯(lián)系，但相對來講還是比較獨立的。如果學生前一個單元沒有掌握好，就及時提醒學生，告訴他們各個單元內(nèi)容是相對獨立的，前面單元內(nèi)容掌握的好壞對后面內(nèi)容的掌握影響不太大，不要灰心。對有聯(lián)系的單元，也會給學生指出來，讓學生了解知識點的銜接[8]。

2 加強實踐環(huán)節(jié)

“運動控制系統(tǒng)”的實踐教學環(huán)節(jié)有課堂仿真、課堂實驗、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計等。

2.1 發(fā)揮Matlab在教學中的作用

在課程設(shè)計過程中，我們發(fā)現(xiàn)很多學生對如何設(shè)計調(diào)節(jié)器參數(shù)、調(diào)節(jié)器參數(shù)對系統(tǒng)性能有什么影響、怎樣評判調(diào)速系統(tǒng)的性能等問題比較茫然。針對這種情況，我們將 Matlab 仿真用于“運動控制系統(tǒng)”教學，在仿真過程中修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，獲得不同的仿真曲線，通過觀察分析曲線，學生了解了調(diào)節(jié)器不同參數(shù)值對系統(tǒng)動態(tài)及靜態(tài)性能的影響。

在課程理論講授過程中，專門留出2個學時的時間，讓學生自帶筆記本電腦，兩個人一臺或一人一臺。在Matlab的Simulink 環(huán)境下搭建直流電機開環(huán)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)。其中對直流電機開環(huán)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)研究比較簡單，僅觀察輸出的轉(zhuǎn)速隨給定值改變而變化的規(guī)律即可。在轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)中，研究在速度和電流調(diào)節(jié)器分別采用P和PI調(diào)節(jié)器時調(diào)節(jié)器參數(shù)變化是如何對轉(zhuǎn)速和電流產(chǎn)生影響的。首先讓電流調(diào)節(jié)器類型和參數(shù)保持不變，速度調(diào)節(jié)器采用P調(diào)節(jié)器，改變參數(shù)值大小，觀察仿真曲線，使學生了解比例系數(shù)對動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的影響；然后速度調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，保持比例系數(shù)不變，改變積分系數(shù)，觀察積分系數(shù)對動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能的影響。接著速度調(diào)節(jié)器類型和參數(shù)保持不變，改變電流調(diào)節(jié)器的類型和參數(shù)，通過曲線觀察對系統(tǒng)性能的影響，加深學生對所學理論知識的理解。

Matlab的Simulink仿真在我們的“運動控制系統(tǒng)”教學中已經(jīng)取得一定效果, 在以后的教學中如果時間允許，會進一步增加仿真內(nèi)容，把交流調(diào)速系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容也進行仿真實現(xiàn)；還可以運用先進的控制方法如模糊控制、預測控制、內(nèi)?？刂?、滑?？刂频?，代替?zhèn)鹘y(tǒng) PID 控制方法，分析比較不同控制方法對系統(tǒng)性能的影響， 使得學生對不同控制方法有更加深入的理解和掌握。

此外，Matlab的PSB工具箱具有強大的功能，其仿真圖形逼真、直觀易懂，且改變參數(shù)容易,既不用擔心元器件損壞，也沒有任何危險。學生在課下針對課堂講授過程中提及的課程難點與重點，利用PSB工具箱設(shè)計各種運動控制系統(tǒng)進行仿真，并可任意地修改電路和參數(shù)，觀察所設(shè)計系統(tǒng)運行的效果。由于該課程課堂學時有限，對于PSB 工具箱仿真一般放在課程設(shè)計階段完成。

2.2 重視實驗環(huán)節(jié)

我校 “運動控制系統(tǒng)”課程總共 64 學時，該課程內(nèi)容多，實驗難度較大，耗時較多，且實驗具有連續(xù)性。一直以來，學院沒有安排課內(nèi)實驗環(huán)節(jié)，僅在課程設(shè)計中讓一部分學生參與了實驗。2013年我校對教學大綱進行改革，減化了部分章節(jié)內(nèi)容，弱化了一些公式的推導過程，增加了四個課內(nèi)實驗：①晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)測定實驗(2學時，測試性實驗)；②單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)實驗(2學時，包括單元調(diào)試)；③雙閉環(huán)晶閘管不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)實驗(2學時，設(shè)計性實驗)；④雙閉環(huán)控制的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)實驗(H橋，2學時)。學生3-4人一組，為了避免重復測量參數(shù)浪費時間，把單閉環(huán)直流調(diào)速和雙閉環(huán)直流調(diào)速兩個實驗合并到一起，利用連續(xù)四個學時的時間完成。在H橋?qū)嶒炛?，根?jù)學生做實驗的具體情況，安排一些動手能力強、實驗速度較快的學生做可逆調(diào)速，讓學生對可逆調(diào)速過程有一個直觀的了解。邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)實驗難度大，而且需要耗費的時間較長，因此在新教學大綱中沒有涉及。

學院電氣實驗室配備了DJDK- 1 型電力電子技術(shù)及電機控制實驗裝置，該實驗裝置采用更換掛件箱的方式，搭建不同的實驗系統(tǒng)，并通過數(shù)字示波器觀察電機起動時的轉(zhuǎn)速、電流曲線。一般情況下，首先學生按照要求在該實驗裝置上進行相關(guān)參數(shù)的測試；完成參數(shù)測試后，利用課余時間對測得的數(shù)據(jù)進行分析計算，并按工程方法設(shè)計出PI速度調(diào)節(jié)器和PI電流調(diào)節(jié)器；然后搭建雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，觀察速度和電流曲線情況，改變調(diào)節(jié)器參數(shù)進一步觀察波形圖，并進行總結(jié)調(diào)節(jié)器參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。這不僅有助于學生對所學理論知識的理解和掌握，而且讓學生直觀地理解了PI調(diào)節(jié)器參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。

課程實驗增進了學生對理論的理解，消除或減輕了對這門課程學習的困難, 是培養(yǎng)學生分析能力、動手能力、自主學習能力的重要環(huán)節(jié)。通過實驗，總結(jié)出學生實驗過程中出現(xiàn)的普遍問題，便于在以后的理論教學中有意識地解決學生在實驗過程中遇到的問題，提高教學質(zhì)量。

2.3 重視畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)

畢業(yè)設(shè)計是培養(yǎng)學生綜合應(yīng)用所學基礎(chǔ)知識、專門知識進行實踐的重要環(huán)節(jié), 是獨立地探討或解決本學科某一問題的實際工程訓練。

“運動控制系統(tǒng)” 課程的畢業(yè)設(shè)計中，給學生布置一些能對真實電機進行控制的選題，例如：基于DSP的交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計、基于dSPACE的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計、基于Quanser的直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計等。要求學生綜合運用所學本專業(yè)各課程的理論知識，通過查閱國內(nèi)外有關(guān)文獻資料，選擇并設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器，在實驗室對調(diào)速系統(tǒng)進行接線，編制系統(tǒng)所需要的程序并進行調(diào)試，觀察實驗結(jié)果，并根據(jù)實驗結(jié)果調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器參數(shù)。目前已在我校自動化專業(yè)2014屆、2015屆以及2016屆的部分學生中進行了實踐，學生們圓滿地完成了畢業(yè)設(shè)計任務(wù)。通過畢業(yè)設(shè)計，學生不僅對原本抽象、枯燥、理解不透的“運動控制系統(tǒng)”課程內(nèi)容有了更深的理解，而且提高了自身的動手能力和創(chuàng)新能力。

3 結(jié)語

“運動控制系統(tǒng) ”是一門重要的專業(yè)課，綜合性和實踐性比較強。為了使學生更好地掌握這門課程的內(nèi)容，任課教師需要不斷地探索、總結(jié)，摸索出適合的教學方法，才能調(diào)動學生學習的積極性，提高該課程的教學質(zhì)量。目前，該課程的教學改革雖然取得了一定的成果，但還有很多地方需要改進和完善，一些教學方法還需在實踐中進一步證明。

[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,2005.

[2] 阮毅, 陳維鈞. 運動控制系統(tǒng)[M]. 北京: 清華大學出版社，2006.

[3] 周亞麗.“ 運動控制系統(tǒng)”課程改革與實踐[J].濟南:科技信息，2007,Vol. 5：113，+108.

[4] 楊 靜,黃江平,楊 輝等.“運動控制系統(tǒng)”課程虛擬實驗室建設(shè)的探索[J].南京:電氣電子教學學報,2009, 31,增刊:62-64.

[5] 方清城,羅中良,官 峰等.MA TLAB 在電力電子和運動控制系統(tǒng)實驗教學中的應(yīng)用[J]. 西安:西安航空技術(shù)高等?？茖W校學報,2006, 24(3):17-19.

(邵雪卷等文)

[6] 李 萍,厲 虹,侯懷昌.電氣工程及其自動化專業(yè)運動控制系統(tǒng)課程實驗教學改革探討[J].太原：教育理論與實踐,2010,30,(5):61-63.

[7] 倪 超 鄒紅艷.運動控制系統(tǒng)課程實驗教學改革探索[J].濟南:科技信息，2010,.31：25，+102.

[8] 尚 麗.運動控制系統(tǒng)課程建設(shè)及發(fā)展構(gòu)想[J]. 蘇州: 蘇州市職業(yè)大學學報,2007,18(4)：96-98.

Teaching Reform and Practice of Motion Control System Course

SHAO Xue-juan，ZHANG Jing-gang，CHEN Zhi-mei，YU Shao-juan

(SchoolofElectronicInformationEengineering,TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,Taiyuan030024,China)

Two aspects of improving teaching method and strengthening practice teaching in teaching of Motion Control System course are discussed and the teaching methods suitable for the students in our school are given in this paper. Teaching practice shows that this approach can improve the teaching quality of Motion Control System, stimulate students′ learning enthusiasm, and have achieved good teaching results. Good teaching effect has been obtained.

motion control system；teaching method；practice teaching

2016-07-22;

2016-10- 08

太原科技大學本科生教改項目(16)；山西省高校教改項目(J2013064)；山西省特色專業(yè)建設(shè)(201201)

邵雪卷(1975-)，女，博士，副教授，主要從事電氣傳動的控制策略教學和研究E-mail:sxj0351@163.com

G642

A

1008-0686(2017)04-0066-04