邵雪卷， 張井崗， 陳志梅， 于少娟

(太原科技大學(xué) 電子信息學(xué)院， 山西 太原 030024)

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程教學(xué)改革與實(shí)踐

邵雪卷， 張井崗， 陳志梅， 于少娟

(太原科技大學(xué) 電子信息學(xué)院， 山西 太原 030024)

本文針對(duì)“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”這門綜合性和實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，就其改進(jìn)教學(xué)方式和加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)兩方面進(jìn)行探討，給出了適合本校學(xué)生學(xué)習(xí)的教學(xué)方法。教學(xué)實(shí)踐表明，這種做法提高了“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”的課程教學(xué)質(zhì)量，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性并取得了良好的教學(xué)效果。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；教學(xué)方式；實(shí)踐教學(xué)

0 引言

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”是自動(dòng)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(shí)面廣，覆蓋“電機(jī)與拖動(dòng)”、“電力電子技術(shù)”、“模擬電子技術(shù)”、“自動(dòng)控制理論”、“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”等課程的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)[1,2]；而且其涉及的知識(shí)實(shí)際應(yīng)用非常廣泛，是一門綜合性非常強(qiáng)、 理論與實(shí)際結(jié)合緊密的課程。在教學(xué)過程中很多學(xué)生反映學(xué)習(xí)該課程的難度比較大，理解起來比較困難。

針對(duì)“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”教學(xué)過程中存在的問題，國(guó)內(nèi)許多高校對(duì)該課程教學(xué)進(jìn)行了改革探索[3-7]，取得了不錯(cuò)的效果。文獻(xiàn)[3]結(jié)合實(shí)際教學(xué)條件，從教學(xué)方式和發(fā)揮Matlab/Simulink的作用及加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)等方面對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行了改革。文獻(xiàn)[4，5]利用 Matlab的Simulink和Power System工具箱設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。為了培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和工程實(shí)踐能力，文獻(xiàn)[6，7]對(duì)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了改革。

筆者根據(jù)多年來對(duì)這門課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本校的實(shí)際情況，在教學(xué)過程中及時(shí)調(diào)整教學(xué)方法與技巧，加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐能力，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)這門課程的主動(dòng)性和積極性，力求在教學(xué)過程中能夠注重學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識(shí)的理解與掌握，加強(qiáng)課程的實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容。

1 改進(jìn)教學(xué)方式

1.1 處理好先修課程與本課程的關(guān)系

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”是一門綜合性比較強(qiáng)的課程，經(jīng)常第一節(jié)課結(jié)束后便有學(xué)生反映說自己的電機(jī)或電力電子技術(shù)基礎(chǔ)較差，對(duì)上好這門課程沒有信心。實(shí)際上，“運(yùn)動(dòng)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(duì)于電機(jī)與拖動(dòng)，只涉及到電機(jī)的機(jī)械特性方程及調(diào)速的基本方法，并不涉及電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；對(duì)于電力電子技術(shù)，只需掌握整流與逆變的基本概念；對(duì)于自動(dòng)控制，也只需知道一個(gè)完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成。因此，我們?cè)诘谝还?jié)課就給學(xué)生說清這些內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)好本課程；在授課過程中也不一味強(qiáng)調(diào)先修課程的重要性，以免學(xué)生由于對(duì)先修課的相關(guān)知識(shí)掌握不夠深入或由于遺忘較多而產(chǎn)生對(duì)本門課程的厭煩情緒。當(dāng)用到相關(guān)先修課程的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，就提前告訴學(xué)生課下預(yù)習(xí)或在上課前簡(jiǎn)單地復(fù)習(xí)一下相關(guān)內(nèi)容。這樣既解決了學(xué)生的心理問題，又有利于學(xué)生掌握本門課程的內(nèi)容。

1.2 變換角色

課堂教學(xué)是以教師主講形式進(jìn)行的。對(duì)于相對(duì)比較簡(jiǎn)單的章節(jié)內(nèi)容，可讓學(xué)生在課下自己先預(yù)習(xí)，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(xué)生走上講臺(tái)，根據(jù)學(xué)生自己對(duì)內(nèi)容的理解進(jìn)行講解。然后教師再針對(duì)學(xué)生在講解中出現(xiàn)的問題，對(duì)知識(shí)點(diǎn)做一些歸納和總結(jié)。這種方法不僅有利于培養(yǎng)學(xué)生的語言表達(dá)能力，而且鍛煉了他們的膽量、邏輯思維能力和對(duì)新知識(shí)的自學(xué)能力。

1.3 單元消化法

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程內(nèi)容較多，在教學(xué)過程中，讓學(xué)生每學(xué)完一章寫一個(gè)總結(jié)，對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理及消化。這樣可以使學(xué)生及時(shí)了解自己對(duì)本章節(jié)內(nèi)容的掌握情況，知道自己對(duì)哪些知識(shí)點(diǎn)掌握得比較好，哪些知識(shí)點(diǎn)理解得還不太透徹，哪些知識(shí)點(diǎn)根本沒有理解，做到及時(shí)查缺補(bǔ)漏。下節(jié)課開課前花幾分鐘時(shí)間對(duì)上節(jié)課做一個(gè)簡(jiǎn)單的回顧，讓學(xué)生做到 “溫故而知新”；每節(jié)課最后幾分鐘，對(duì)本節(jié)內(nèi)容做一個(gè)簡(jiǎn)短的總結(jié)，明確告訴學(xué)生哪些地方是重點(diǎn)，哪些只需一般了解，讓學(xué)生做到復(fù)習(xí)時(shí)有的放矢。各章之間雖然有一定的聯(lián)系，但相對(duì)來講還是比較獨(dú)立的。如果學(xué)生前一個(gè)單元沒有掌握好，就及時(shí)提醒學(xué)生，告訴他們各個(gè)單元內(nèi)容是相對(duì)獨(dú)立的，前面單元內(nèi)容掌握的好壞對(duì)后面內(nèi)容的掌握影響不太大，不要灰心。對(duì)有聯(lián)系的單元，也會(huì)給學(xué)生指出來，讓學(xué)生了解知識(shí)點(diǎn)的銜接[8]。

2 加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)有課堂仿真、課堂實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等。

2.1 發(fā)揮Matlab在教學(xué)中的作用

在課程設(shè)計(jì)過程中，我們發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生對(duì)如何設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器參數(shù)、調(diào)節(jié)器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能有什么影響、怎樣評(píng)判調(diào)速系統(tǒng)的性能等問題比較茫然。針對(duì)這種情況，我們將 Matlab 仿真用于“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”教學(xué)，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(xué)生了解了調(diào)節(jié)器不同參數(shù)值對(duì)系統(tǒng)動(dòng)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(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間，讓學(xué)生自帶筆記本電腦，兩個(gè)人一臺(tái)或一人一臺(tái)。在Matlab的Simulink 環(huán)境下搭建直流電機(jī)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(duì)直流電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)研究比較簡(jiǎn)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(shí)調(diào)節(jié)器參數(shù)變化是如何對(duì)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(xué)生了解比例系數(shù)對(duì)動(dòng)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(duì)動(dòng)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(duì)系統(tǒng)性能的影響，加深學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解。

Matlab的Simulink仿真在我們的“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”教學(xué)中已經(jīng)取得一定效果, 在以后的教學(xué)中如果時(shí)間允許，會(huì)進(jìn)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(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)；還可以運(yùn)用先進(jìn)的控制方法如模糊控制、預(yù)測(cè)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(duì)系統(tǒng)性能的影響， 使得學(xué)生對(duì)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(qiáng)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(dān)心元器件損壞，也沒有任何危險(xiǎn)。學(xué)生在課下針對(duì)課堂講授過程中提及的課程難點(diǎn)與重點(diǎn)，利用PSB工具箱設(shè)計(jì)各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并可任意地修改電路和參數(shù)，觀察所設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行的效果。由于該課程課堂學(xué)時(shí)有限，對(duì)于PSB 工具箱仿真一般放在課程設(shè)計(jì)階段完成。

2.2 重視實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

我校 “運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程總共 64 學(xué)時(shí)，該課程內(nèi)容多，實(shí)驗(yàn)難度較大，耗時(shí)較多，且實(shí)驗(yàn)具有連續(xù)性。一直以來，學(xué)院沒有安排課內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，僅在課程設(shè)計(jì)中讓一部分學(xué)生參與了實(shí)驗(yàn)。2013年我校對(duì)教學(xué)大綱進(jìn)行改革，減化了部分章節(jié)內(nèi)容，弱化了一些公式的推導(dǎo)過程，增加了四個(gè)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)：①晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)(2學(xué)時(shí)，測(cè)試性實(shí)驗(yàn))；②單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)(2學(xué)時(shí)，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(shí)驗(yàn)(2學(xué)時(shí)，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn))；④雙閉環(huán)控制的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)(H橋，2學(xué)時(shí))。學(xué)生3-4人一組，為了避免重復(fù)測(cè)量參數(shù)浪費(fèi)時(shí)間，把單閉環(huán)直流調(diào)速和雙閉環(huán)直流調(diào)速兩個(gè)實(shí)驗(yàn)合并到一起，利用連續(xù)四個(gè)學(xué)時(shí)的時(shí)間完成。在H橋?qū)嶒?yàn)中，根據(jù)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的具體情況，安排一些動(dòng)手能力強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)速度較快的學(xué)生做可逆調(diào)速，讓學(xué)生對(duì)可逆調(diào)速過程有一個(gè)直觀的了解。邏輯無環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難度大，而且需要耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，因此在新教學(xué)大綱中沒有涉及。

學(xué)院電氣實(shí)驗(yàn)室配備了DJDK- 1 型電力電子技術(shù)及電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)裝置，該實(shí)驗(yàn)裝置采用更換掛件箱的方式，搭建不同的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并通過數(shù)字示波器觀察電機(jī)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速、電流曲線。一般情況下，首先學(xué)生按照要求在該實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)試；完成參數(shù)測(cè)試后，利用課余時(shí)間對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，并按工程方法設(shè)計(jì)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(jìn)一步觀察波形圖，并進(jìn)行總結(jié)調(diào)節(jié)器參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。這不僅有助于學(xué)生對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解和掌握，而且讓學(xué)生直觀地理解了PI調(diào)節(jié)器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

課程實(shí)驗(yàn)增進(jìn)了學(xué)生對(duì)理論的理解，消除或減輕了對(duì)這門課程學(xué)習(xí)的困難, 是培養(yǎng)學(xué)生分析能力、動(dòng)手能力、自主學(xué)習(xí)能力的重要環(huán)節(jié)。通過實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的普遍問題，便于在以后的理論教學(xué)中有意識(shí)地解決學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題，提高教學(xué)質(zhì)量。

2.3 重視畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

畢業(yè)設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、專門知識(shí)進(jìn)行實(shí)踐的重要環(huán)節(jié), 是獨(dú)立地探討或解決本學(xué)科某一問題的實(shí)際工程訓(xùn)練。

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)” 課程的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，給學(xué)生布置一些能對(duì)真實(shí)電機(jī)進(jìn)行控制的選題，例如：基于DSP的交流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于dSPACE的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)、基于Quanser的直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)本專業(yè)各課程的理論知識(shí)，通過查閱國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)資料，選擇并設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行接線，編制系統(tǒng)所需要的程序并進(jìn)行調(diào)試，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器參數(shù)。目前已在我校自動(dòng)化專業(yè)2014屆、2015屆以及2016屆的部分學(xué)生中進(jìn)行了實(shí)踐，學(xué)生們圓滿地完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)生不僅對(duì)原本抽象、枯燥、理解不透的“運(yùn)動(dòng)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(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。

3 結(jié)語

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) ”是一門重要的專業(yè)課，綜合性和實(shí)踐性比較強(qiáng)。為了使學(xué)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(xué)方法，才能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。目前，該課程的教學(xué)改革雖然取得了一定的成果，但還有很多地方需要改進(jìn)和完善，一些教學(xué)方法還需在實(shí)踐中進(jìn)一步證明。

[1] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) - 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2] 阮毅, 陳維鈞. 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社，2006.

[3] 周亞麗.“ 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程改革與實(shí)踐[J].濟(jì)南:科技信息，2007,Vol. 5：113，+108.

[4] 楊 靜,黃江平,楊 輝等.“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程虛擬實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的探索[J].南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào),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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 西安:西安航空技術(shù)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào),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(dòng)化專業(yè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討[J].太原：教育理論與實(shí)踐,2010,30,(5):61-63.

[7] 倪 超 鄒紅艷.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索[J].濟(jì)南:科技信息，2010,.31：25，+102.

[8] 尚 麗.運(yùn)動(dòng)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(xué)學(xué)報(bào),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(xué)本科生教改項(xiàng)目(16)；山西省高校教改項(xiàng)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(dòng)的控制策略教學(xué)和研究E-mail:sxj0351@163.com

G642

A

1008-0686(2017)04-0066-04