◆王憲磊

基于MATLAB的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程教學(xué)改革探討

◆王憲磊

針對電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程理論性和實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，從增強(qiáng)教學(xué)效果出發(fā)，在課堂教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入MATLAB仿真，將理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，改變傳統(tǒng)教學(xué)中存在的不足，加深學(xué)生對課程學(xué)習(xí)內(nèi)容的認(rèn)識(shí)與理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)教學(xué)效果。

MATLAB；電力拖動(dòng)；自動(dòng)控制系統(tǒng)

1 前言

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)是電氣工程及其自動(dòng)化和農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化專業(yè)的一門重要的專業(yè)骨干課，涉及電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理、信號(hào)與系統(tǒng)、單片機(jī)原理及應(yīng)用等眾多的專業(yè)基礎(chǔ)課程，屬于一門綜合性很強(qiáng)的課程，具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。該課程以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備——電動(dòng)機(jī)為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論指導(dǎo)下研究電力拖動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。鑒于該課程在專業(yè)課程體系中的綜合性和重要性，對該課程的教學(xué)改革非常有必要，通過引入MATLAB仿真軟件，將理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，增強(qiáng)課程的教學(xué)效果。

2 該課程傳統(tǒng)教學(xué)存在的不足

該課程理論性強(qiáng)，涉及的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)多，傳統(tǒng)教學(xué)中缺少教學(xué)互動(dòng)，大部分是教師講，學(xué)生被動(dòng)地學(xué)習(xí)。該課程涉及大量的公式推導(dǎo)，所以在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師借助板書和多媒體講解公式時(shí)非常單調(diào)，學(xué)生根本沒興趣學(xué)習(xí)。還有該課程實(shí)踐性很強(qiáng)，大量的理論知識(shí)要結(jié)合實(shí)際的電力拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行講解。在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師基本都是根據(jù)教材中的電力拖動(dòng)示意圖來講，或者通過課件展示的圖來講解電力拖動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成和工作原理等，學(xué)生聽課太單一。關(guān)鍵是學(xué)生頭腦中缺乏電力拖動(dòng)生產(chǎn)實(shí)踐的影子，對一些工程原理和過程還是無法深入理解。特別是該課程教學(xué)中經(jīng)常要分析電力拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化，在傳統(tǒng)的教學(xué)中靠板書畫圖太繁瑣，課堂學(xué)時(shí)有限，所以無法展示動(dòng)態(tài)變化。這樣學(xué)生無法理解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程，只能看到系統(tǒng)局部的變化，無法宏觀上理解電力拖動(dòng)系統(tǒng)，只能結(jié)合教材中的圖片和文字說明加深記憶，沒有從根本上深入理解電力拖動(dòng)的工作內(nèi)涵。

在該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)都屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)基本沒有，學(xué)生就是在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上機(jī)械地進(jìn)行接線，按部就班地完成實(shí)驗(yàn)步驟，然后記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，簡單地驗(yàn)證課本所學(xué)的理論知識(shí)。這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)過于簡單，學(xué)生不需要太多思考，就是簡單的接線、測數(shù)據(jù)、分析結(jié)果，無法鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思考能力，所以學(xué)生興趣不足，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性差，大部分學(xué)生都是應(yīng)付實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果差。再加上實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限，學(xué)生人數(shù)多，每組實(shí)驗(yàn)人數(shù)較多，實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，真正動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)的學(xué)生較少，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力無法得到有效提高，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想。

鑒于電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程在傳統(tǒng)教學(xué)中存在的不足，引入MATLAB計(jì)算機(jī)軟件輔助教學(xué)，通過計(jì)算機(jī)仿真將該課程與實(shí)踐緊密結(jié)合，給學(xué)生建立更多的生產(chǎn)實(shí)踐的影子，讓學(xué)生在課堂上和實(shí)驗(yàn)中把課程理論知識(shí)和實(shí)踐通過MATLAB仿真串聯(lián)起來，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。

3 基于MATLAB仿真教學(xué)改革

理論教學(xué)改革 結(jié)合電氣類專業(yè)人才培養(yǎng)方案的不斷修訂，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程的學(xué)時(shí)不斷壓縮。目前，塔里木大學(xué)該課程總學(xué)時(shí)48，理論學(xué)時(shí)42，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)6。考慮到該課程的理論性和實(shí)踐性較強(qiáng)，必須既重視理論教學(xué)，又重視實(shí)驗(yàn)，在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)盡可能提高學(xué)生的理論知識(shí)水平和實(shí)驗(yàn)技能，必須精選教學(xué)內(nèi)容。

該課程主要介紹直流拖動(dòng)系統(tǒng)和交流拖動(dòng)系統(tǒng)兩大部分，先介紹直流電力拖動(dòng)，再介紹交流電力拖動(dòng)。講課中，把直流電力拖動(dòng)作為基礎(chǔ)理論來重點(diǎn)講，因此，這是整個(gè)電力拖動(dòng)的理論基礎(chǔ)，為后續(xù)的交流拖動(dòng)打基礎(chǔ)。所以在教學(xué)中，對于直流拖動(dòng)，重點(diǎn)給學(xué)生介紹拖動(dòng)系統(tǒng)的基本概念，分析思路，進(jìn)行拖動(dòng)系統(tǒng)組成、工作原理的分析等。要簡化公式的推導(dǎo)，對于一些與實(shí)踐系統(tǒng)緊密結(jié)合的知識(shí)點(diǎn)，為了加深學(xué)生的理解和記憶，要采用MATLAB仿真，課堂中利用多媒體教學(xué)，通過對實(shí)際系統(tǒng)建立仿真模型，利用多媒體課件，將仿真模型在課堂上給學(xué)生展示，介紹系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組成和工作原理等。把實(shí)踐中的系統(tǒng)通過MATLAB仿真在課件中展示，使學(xué)生在聽課過程中腦海里始終有實(shí)際系統(tǒng)的影子，聽課中不會(huì)脫離實(shí)際系統(tǒng)，這樣聽課學(xué)習(xí)效果很好。

另外，通過仿真軟件，還可以展示系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化。比如，利用MATLAB建立一個(gè)實(shí)際的直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，然后利用軟件給仿真系統(tǒng)加入不同的輸入量，通過仿真可以觀察到系統(tǒng)輸出量的數(shù)值變化或者圖形曲線變化。這樣學(xué)生通過仿真系統(tǒng)學(xué)習(xí)理論知識(shí)非常直觀，更容易加深理解和記憶，能增強(qiáng)課堂學(xué)習(xí)效果。所以，對于交流電力拖動(dòng)，要結(jié)合MATLAB仿真，精選典型的教學(xué)內(nèi)容，選取典型的電力拖動(dòng)實(shí)例，使學(xué)生通過日常生活中常見的典型拖動(dòng)系統(tǒng)來學(xué)習(xí)課程的基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)生印象更加深刻。

對于另一部分交流電力拖動(dòng)，其基本的拖動(dòng)理論知識(shí)與直流拖動(dòng)系統(tǒng)類似，區(qū)別就在于所用的電動(dòng)機(jī)不同，用交流電動(dòng)機(jī)取代了直流電動(dòng)機(jī)?？紤]到目前大部分的電力拖動(dòng)都采用性能更好的交流拖動(dòng)，由于學(xué)時(shí)有限，對于交流拖動(dòng)系統(tǒng)，重點(diǎn)給學(xué)生介紹交流電力拖動(dòng)的實(shí)際應(yīng)用。對于其理論知識(shí)要簡單介紹，因?yàn)槠淅碚撆c直流拖動(dòng)類似。交流電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，要結(jié)合MATLAB仿真，精選實(shí)際中典型的一些交流拖動(dòng)實(shí)例進(jìn)行分析仿真，結(jié)合仿真系統(tǒng)來進(jìn)行講解，加深學(xué)生的理解。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革 考慮到該課程的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)較少，只有6個(gè)學(xué)時(shí)，再考慮實(shí)驗(yàn)教學(xué)中除了讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)臺(tái)動(dòng)手接線，也要讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)期間利用電腦做MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)用MATLAB仿真軟件進(jìn)行電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的仿真，把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容搬到仿真軟件里，改變傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中單一的學(xué)生單純接線驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，也給學(xué)生普及MATLAB仿真軟件，讓學(xué)生學(xué)會(huì)用仿真軟件來輔助學(xué)習(xí)?？紤]到只有6學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)，精選三個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別是直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速、直流電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)和制動(dòng)、異步電動(dòng)機(jī)的接觸器聯(lián)鎖正反轉(zhuǎn)控制。這三個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)生既要在電力拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行動(dòng)手接線操作，又要在電腦上用MATLAB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，這樣實(shí)驗(yàn)教學(xué)非常飽滿，既鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，也提高了學(xué)生的仿真軟件應(yīng)用能力，對于學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的提高非常重要。

學(xué)生技能訓(xùn)練改革 考慮到該課程實(shí)踐性強(qiáng)的特點(diǎn)，必須重視學(xué)生的技能訓(xùn)練。傳統(tǒng)的課程技能訓(xùn)練，大部分是教師通過布置教材中相關(guān)的習(xí)題作為課后作業(yè)，通過作業(yè)情況來檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。這種訓(xùn)練過于單一，只注重了學(xué)生的理論知識(shí)，不能引起學(xué)生的普遍重視，他們還是簡單地照搬課本理論知識(shí)來完成作業(yè)，思考度不夠，對創(chuàng)新思考能力不能充分挖掘。

教師應(yīng)該要既重視理論知識(shí)的鞏固，也要考慮培養(yǎng)學(xué)生的思考能力和實(shí)際動(dòng)手能力。教師在課堂和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)用MATLAB進(jìn)行大量的仿真實(shí)例演示，學(xué)生對MATLAB仿真軟件也有了基本了解。因此，教師在該課程中為了提高學(xué)生的知識(shí)技能，可以結(jié)合教學(xué)內(nèi)容給學(xué)生布置一些以MATLAB為基礎(chǔ)的電力拖動(dòng)仿真作業(yè)，讓學(xué)生把課堂學(xué)到的仿真知識(shí)得以應(yīng)用，加深對仿真軟件的學(xué)習(xí)。教師可以設(shè)置一個(gè)電力拖動(dòng)控制目標(biāo)和要求，讓學(xué)生自己確定設(shè)計(jì)方案，自行確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，自行計(jì)算系統(tǒng)中的元器件參數(shù)，然后利用MATLAB仿真軟件建立系統(tǒng)模型，觀察系統(tǒng)的仿真運(yùn)行結(jié)果。

這樣的技能訓(xùn)練，既讓學(xué)生對電力拖動(dòng)理論知識(shí)加以鞏固，又使學(xué)生學(xué)會(huì)了用MATLAB仿真軟件建模，也對該軟件進(jìn)一步學(xué)習(xí)，關(guān)鍵是學(xué)生把課堂學(xué)到的仿真分析方法得以實(shí)際應(yīng)用，提高了創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力。

4 結(jié)束語

將MATLAB仿真軟件引入電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程教學(xué)中，使得在有限的學(xué)時(shí)下提高了課程教學(xué)信息量，同時(shí)使課程的理論與實(shí)踐相結(jié)合。通過仿真軟件的演示，給學(xué)生營造良好的教學(xué)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)良好互動(dòng)的課堂氛圍，使學(xué)生更容易理解課程內(nèi)容，加深學(xué)習(xí)印象，提高學(xué)習(xí)興趣。因此，該課程引入MATLAB仿真輔助教學(xué)后，可以增強(qiáng)教學(xué)效果，提高該課程的教學(xué)質(zhì)量?！?/p>

［1］陳霞.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)方法［M］.北京∶中國電力出版社，2010.

［2］陳小玲，范娟，李海華，等.基于Matlab的《電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)》課程教學(xué)改革［J］.科技與創(chuàng)新，2015（21）∶112-113.

［3］高寧宇.基于MATLAB 的電力拖動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)［J］.中國教育技術(shù)裝備，2015（18）∶42-44.

［4］陳沖.基于MATLAB 的“電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)”仿真教學(xué)研究［J］.濰坊工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（1）∶91-93.

［5］徐志佳.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的仿真教學(xué)［J］.時(shí)代教育，2009（4）∶93.

［6］王憲磊.《電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)》課程教學(xué)方法探討［J］.科技信息，2011（5）∶114，408.

G642.0

B

1671-489X（2016）10-0014-02

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.10.014

作者：王憲磊，塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化（843300）。