基于OBE理念的電力拖動自動控制系統(tǒng)課程教學(xué)改革

摘? 要：隨著技能型社會對專業(yè)要求的不斷提高，高素質(zhì)人才的培養(yǎng)也受到廣泛重視。院校作為人才培養(yǎng)的主要環(huán)節(jié)，與時俱進(jìn)的教學(xué)改革是滿足社會發(fā)展需求的必然保障。電氣工程專業(yè)是科技發(fā)展的核心專業(yè)之一，具有理論性和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，以電力拖動自動控制系統(tǒng)課程為例，以成果導(dǎo)向教育理念為指導(dǎo)，通過搭建便捷式運(yùn)動控制系統(tǒng)仿真平臺，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)與課堂教學(xué)同時進(jìn)行，使課堂學(xué)習(xí)更貼近于社會、企業(yè)或科研需求，便于實(shí)現(xiàn)學(xué)生個體學(xué)習(xí)的自由探索，進(jìn)而提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：OBE理念；教學(xué)改革；電氣工程；電力拖動自動控制系統(tǒng)；人才培養(yǎng)

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）25-0146-04

Abstract： With the improvement of the professional requirements of the skill-based society， the training of high quality personnel has also received extensive attention. Colleges are the main places of talent training， teaching reform with the times can meet the requirements of social development. Electrical engineering is one of the core majors in the development of science and technology， which has the characteristics of strong theory and practice. The course of Automatic Control System of Electric Pulling is taken as the example， the practice teaching and classroom teaching are carried out simultaneously by building a convenient motion control system simulation platform based on outcome based educational concept， which can make the classroom learning more close to the needs of society， enterprises or scientific research. This kind of teaching mode is convenient to realize the free exploration of students' individual study， and then the overall quality of students is improved.

Keywords： OBE concept; teaching reform; electrical engineering; Automatic Control System of Electric Pulling; talent training

成果導(dǎo)向教育（outcome based education，OBE）理念是以結(jié)果為導(dǎo)向，以提升和培養(yǎng)實(shí)際應(yīng)用能力為目標(biāo)的教育理念，是適應(yīng)我國高等教育人才培養(yǎng)及社會發(fā)展需求的實(shí)用性教學(xué)模式。OBE教育理念的提出，引起了許多大學(xué)的極大共鳴，得到了當(dāng)今社會的廣泛認(rèn)可。電力拖動自動控制系統(tǒng)課程是電氣工程類專業(yè)中一門重要的課程，具有知識點(diǎn)多、公式多、學(xué)習(xí)難度大的特點(diǎn)。對如何提高課程的教學(xué)質(zhì)量，廣大一線教師根據(jù)自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)在教學(xué)方法和教學(xué)手段方面提出了一些可行性方法，例如，在參考文獻(xiàn)[1]中，提出了以提升學(xué)生素質(zhì)為目標(biāo)，通過在教學(xué)過程中引入問題、案例和項(xiàng)目，建立了“四位一體”的考核體系的方法提高課堂效率。在參考文獻(xiàn)[2-3]中，提出將翻轉(zhuǎn)課堂與課程教學(xué)相結(jié)合的方法，在參考文獻(xiàn)[4]中，將培養(yǎng)高素質(zhì)人才作為目標(biāo)，從教學(xué)內(nèi)容、方法、考核方式等方面進(jìn)行了一系列改革。在參考文獻(xiàn)[5]中，從課堂授課方式上進(jìn)行改革，引導(dǎo)型課堂教學(xué)將促使學(xué)生由被動向主動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變。在參考文獻(xiàn)[6-7]中，分析授課過程中存在的問題，從教學(xué)內(nèi)容和手段等方面進(jìn)行可以滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證的探索性的教學(xué)改革，以提高學(xué)生的綜合能力。在參考文獻(xiàn)[8]中，將“互聯(lián)網(wǎng)+”和雨課堂相結(jié)合，構(gòu)建混合式課堂教學(xué)模式，以提高課堂效率。在參考文獻(xiàn)[9]中，將項(xiàng)目驅(qū)動的主動教學(xué)方法運(yùn)用到課堂教學(xué)中，從理論學(xué)習(xí)、仿真、實(shí)驗(yàn)三個層面，掌握課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容。在參考文獻(xiàn)[10]中，將問題探索性教學(xué)方法應(yīng)用到課程的教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。在參考文獻(xiàn)[11]中，提出了以學(xué)生為中心、學(xué)為導(dǎo)向的教學(xué)方式，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。在參考文獻(xiàn)[12-13]中，采用MATLAB從按照系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖、系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)圖兩種途徑的教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行了分析與探討，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)果可視化，方便學(xué)者的理解。但是在教學(xué)過程中，不管采用何種方法，都是以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和課堂效率為最終目的。

本文以此課程中直流調(diào)速系統(tǒng)（Direct current speed regulation system， DCSRS）為例，從教學(xué)內(nèi)容的角度出發(fā)，對比分析運(yùn)動控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合電力電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)、自動控制原理等課程中的知識，提出搭建以數(shù)字信號處理（ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ＤＳＰ）為核心的便捷式運(yùn)動控制系統(tǒng)仿真平臺的方案，將MATLAB仿真、電力電子變換器和顯示器等結(jié)合起來，使學(xué)生在課堂上便可實(shí)現(xiàn)DCSRS的搭建，切實(shí)看到設(shè)計(jì)的結(jié)果，便于區(qū)分系統(tǒng)的不同。在此基礎(chǔ)上，通過設(shè)立不同的控制目標(biāo)，逐步培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，將復(fù)雜的問題簡單化，為學(xué)生打下踏實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。

一? 課程特點(diǎn)分析

此課程主要分為直流和交流調(diào)速系統(tǒng)兩類，都是以轉(zhuǎn)速、電流和磁鏈控制規(guī)律作為學(xué)習(xí)的主線，通過控制電壓、電流等來改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩、速度等輸出。現(xiàn)在生活中，雖然交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用十分廣泛，但DCSRS是其理論基礎(chǔ)，可以為復(fù)雜的運(yùn)動控制系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。DCSRS分為開環(huán)（Open loop， OL）DCSRS和閉環(huán)（Close loop， CL）DCSRS。CLDCSRS分為有靜差和無靜差的轉(zhuǎn)速閉環(huán)DCSRS，其調(diào)節(jié)器分別采用了比例和比例積分調(diào)節(jié)器，其原理圖中從控制電壓Uc一直到直流電動機(jī)部分與OLDCSRS一致，區(qū)別在于在閉環(huán)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速經(jīng)過測速發(fā)電機(jī)測速后反饋到輸入端。為了避免運(yùn)動控制系統(tǒng)中電流過流問題，可以采用帶電流截止負(fù)反饋的無靜差DCSRS或者雙閉環(huán)DCSRS。本文以O(shè)LDCSRS為例進(jìn)行分析，圖1為OLDCSRS原理圖。OLDCSRS分為晶閘管整流器-電動機(jī)DCSRS（V-M系統(tǒng)）（如圖1（a）所示）和PWM變換器-電動機(jī)DCSRS（P-M系統(tǒng)）兩種[14]。P-M系統(tǒng)分為不可逆與可逆兩種，其中不可逆P-M系統(tǒng)又分為簡單的不可逆P-M系統(tǒng)（如圖1（b）所示）和有制動電流通路的不可逆P-M系統(tǒng)（如圖1（c）所示）。可逆的P-M系統(tǒng)介紹的是橋式可逆PWM變換器系統(tǒng)（如圖1（d）所示）。

圖1（a）為V-M系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)電壓Uc的大小改變移動觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，進(jìn)而改變輸出電壓Ud的波形。圖1（b）（c）（d）為P-M系統(tǒng)，其中圖1（b）（c）為不可逆系統(tǒng)，圖1（d）為可逆P-M系統(tǒng)。圖1（b）（c）（d）都是通過控制電壓Uc調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation， PWM）波的輸出。在V-M系統(tǒng)中，電壓的輸出值大于反電動勢時，晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，電流id逐漸升高，電抗器處于儲能階段；當(dāng)輸出電壓的瞬時值小于反電動勢時，電抗器的儲能釋放電能，雖然電流id可以繼續(xù)流通，但id逐漸下降。顯然，當(dāng)負(fù)載較小時，電抗器儲能較少，id在很快下降到零，進(jìn)而造成電流斷流。圖1（b）（c）（d）電源電壓Us通過開關(guān)管VT加到電機(jī)電樞兩端，使用的全控型功率半導(dǎo)體器件VT的數(shù)量分別為1、2、4。二極管VD的作用在圖1（b）（c）（d）中都是續(xù)流。在圖1（b）中，當(dāng)減少PWM波占空比時，輸出電壓Ud下降，轉(zhuǎn)速降低，當(dāng)輸出電壓Ud低于反電動勢時，電流id如果衰減到0，便會出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，出現(xiàn)與圖1（a）相同的問題，因此需反向電流通道來實(shí)現(xiàn)制動，如圖1（c）所示，VT2和VD1構(gòu)成了反向電流通路，其工作分為一般電動、制動和輕載電動狀態(tài)三種。當(dāng)運(yùn)行在一般電動狀態(tài)時，開關(guān)管VT1導(dǎo)通，VT2關(guān)斷，電流id在圖1（c）的回路1中流通，當(dāng)開關(guān)管VT1關(guān)斷，VT2關(guān)斷時，電流id在回路2中流通。在制動狀態(tài)，開關(guān)管VT2導(dǎo)通，反向電流-id在回路3中流通產(chǎn)生能耗制動作用。當(dāng)VT2關(guān)斷時，-id通過回路4向電源反饋能量。在輕載電動狀態(tài)，開關(guān)管VT1關(guān)斷后，電流id在達(dá)到周期T之前已經(jīng)快速減少到零，當(dāng)t=t2時，VT2導(dǎo)通，電流方向改變產(chǎn)生制動作用?？傊?，在一個周期T內(nèi)，開關(guān)管VT1、二極管VD2、開關(guān)管VT2和二極管VD1輪流導(dǎo)通，雖然電流方向可以改變，但電壓和轉(zhuǎn)速方向不能改變。如果要改變電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，需要再增加開關(guān)管和二極管，構(gòu)成可逆的P-M系統(tǒng)，如圖1（d）所示，其電流波形與圖1（c）所示系統(tǒng)輕載電動運(yùn)行狀態(tài)的電流波形基本一樣。當(dāng)PWM波的占空比大于50%時，平均輸出電壓為正值，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，反之電動機(jī)反轉(zhuǎn)；占空比等于50%時，平均輸出電壓為零，電動機(jī)停轉(zhuǎn)。當(dāng)負(fù)載較重時，電機(jī)電動運(yùn)行，電樞回路中電流大，續(xù)流時電流方向維持不變。當(dāng)負(fù)載較輕時，電機(jī)制動運(yùn)行，續(xù)流時電流很快減少到零，反向開關(guān)管導(dǎo)通，電流方向發(fā)生改變。

通過分析，可以看出，此四個系統(tǒng)的共同點(diǎn)是都需要一個PWM輸出單元，此單元可以通過DSP芯片實(shí)現(xiàn)，而其電力電子變換裝置，可以采用晶閘管整流器、金氧半場效晶體管（ｍｅｔａｌ－ｏｘｉｄｅ－ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ－ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ， ＭＯＳＦＥＴ）或者絕緣柵雙極型晶體管（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ， ＩＧＢＴ）等全控型器件完成，如果這里的實(shí)驗(yàn)對象為直流電機(jī)，可設(shè)計(jì)成開放型的系統(tǒng)，根據(jù)連接方式不同實(shí)現(xiàn)他勵、并勵、串勵和復(fù)勵不同勵磁方式的切換，控制系統(tǒng)更加靈活方便。

二? 基于OBE理念的課程優(yōu)化路徑探討

近些年來，將理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法已經(jīng)被很多高校和大學(xué)生所接納。然而，在實(shí)際教學(xué)過程中仍然存在一些問題，例如，雖然實(shí)踐操作是對理論學(xué)習(xí)的驗(yàn)證，但是往往會出現(xiàn)理論學(xué)習(xí)、實(shí)踐操作與社會需求所采用的方法不一樣的問題，如電力拖動自動控制系統(tǒng)課程學(xué)習(xí)過程中，其理論學(xué)習(xí)可通過MATLAB仿真實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證。而實(shí)踐操作時，比如PI調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)是通過硬件電路實(shí)現(xiàn)的，而PI調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中可以通過軟件實(shí)現(xiàn)，而不是硬件電路。實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐操作與社會需求實(shí)現(xiàn)不同，會給部分同學(xué)造成理解上的誤區(qū)，認(rèn)為學(xué)校學(xué)習(xí)與社會需求不同。因此如何搭建與課程理論學(xué)習(xí)緊密相關(guān)，且符合社會需求的教學(xué)和實(shí)踐同時進(jìn)行的便捷式實(shí)踐操作平臺是勢在必行的。

雖然MATLAB與DSP實(shí)驗(yàn)平臺可以實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真，但是由于MATLAB軟件對設(shè)備的配置要求高，因此平臺的實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵是如何在低配置的設(shè)備如iPad上實(shí)現(xiàn)半實(shí)物仿真。因此，建立了基于DSP的便捷式運(yùn)動控制系統(tǒng)操作平臺如圖2所示，MATLAB Mobile是實(shí)現(xiàn)此平臺的關(guān)鍵，此應(yīng)用可以將命令發(fā)送到MathWorks云進(jìn)行運(yùn)算，再把結(jié)果取回來顯示。只要能上網(wǎng)就隨時可以調(diào)用MATLAB，十分便捷?？梢栽谡n堂上進(jìn)行實(shí)踐操作實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開環(huán)、閉環(huán)等運(yùn)動控制系統(tǒng)，逐漸培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生的適應(yīng)能力。在此過程中，教師承擔(dān)的更多是指導(dǎo)和引導(dǎo)的作用，這一方式，更能夠發(fā)揮學(xué)生的主觀性，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)自身學(xué)習(xí)的不足，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和研究性學(xué)習(xí)能力，以便更好地提高學(xué)習(xí)效果。

忽略非線性因素的影響，通過此運(yùn)動控制系統(tǒng)平臺可以看出：①圖1所示四種OLDCSRS的機(jī)械特性基本一致；②當(dāng)增加相同的負(fù)載時，CLDCSRS的轉(zhuǎn)速降落較小，當(dāng)靜差率相同時，獲得更寬的調(diào)速范圍；③在調(diào)節(jié)器不飽和的條件下，可以線性調(diào)節(jié)DCSRS，直到調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓為零，此時轉(zhuǎn)速、電流都可以實(shí)現(xiàn)無靜差，在調(diào)節(jié)器飽和的條件下，則其輸出為限幅值，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，除非輸入的信號反向才可以使調(diào)節(jié)器退出飽和?？傊瑢?shí)踐帶入課堂，可以針對課堂理論知識，進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的有需求性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證學(xué)習(xí)，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和成就感，提高學(xué)生運(yùn)用知識的能力。

基于OBE理念構(gòu)建適合大學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量的評價制度，更具有指導(dǎo)性，可以充分體現(xiàn)以學(xué)生為中心、成果為導(dǎo)向，跟隨社會發(fā)展并進(jìn)行動態(tài)改進(jìn)的理念。教學(xué)質(zhì)量評價應(yīng)該以學(xué)生為中心進(jìn)行，在授課過程中，一方面，可以根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，設(shè)立評估點(diǎn)，依據(jù)學(xué)生的課堂表現(xiàn)、實(shí)踐操作能力、交流能力等給出學(xué)生學(xué)習(xí)的過程評分；另一方面，可以讓學(xué)生通過自評學(xué)及時反饋教學(xué)過程中的問題，教師根據(jù)評價結(jié)果，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可能出現(xiàn)的問題，及時進(jìn)行教學(xué)反思，進(jìn)而調(diào)整和改進(jìn)教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容和方法等，真正地提高教學(xué)質(zhì)量。采用過程性評估的方法，一方面可以全面地反映學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量，另一方面可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動力，是提高教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量的有效措施，同時也是工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念。

三? 結(jié)束語

對專業(yè)技術(shù)精益求精的工匠精神的提出，已然成為社會發(fā)展的精神動力，為滿足當(dāng)今社會對大學(xué)生專業(yè)技術(shù)的要求，使得教學(xué)重點(diǎn)向成果導(dǎo)向轉(zhuǎn)移，強(qiáng)調(diào)工程應(yīng)用能力。以電氣工程專業(yè)電力拖動自動控制系統(tǒng)課程為例，提出建立便捷式運(yùn)動控制系統(tǒng)實(shí)踐操作平臺的方案，將實(shí)踐操作帶進(jìn)課堂，不僅能夠做到全員參與、個性化設(shè)計(jì)，而且還可以將學(xué)習(xí)內(nèi)容服務(wù)于學(xué)生的畢業(yè)論文以及未來的工作等，此方式打破了傳統(tǒng)課堂的格局，可以實(shí)現(xiàn)與OBE理念的高度契合，逐步培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的專業(yè)能力及自主學(xué)習(xí)探索的習(xí)慣。

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