“運動控制系統”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”是自動化專業的主干課程。該課程與其它專業課相比，具有以下特點:①涉及的知識點多、知識面廣，內容涉及“自動控制原理”、“電機與拖動”、“電力電子技術”等專業課程;②系統性、實用性強，是一門強弱電結合、電力與電子技術結合、軟件與硬件結合、元件與系統結合的專業課程;③通用性強，運動控制系統所研究的內容是過程控制系統和機器人控制系統的基礎，具有通用性。該課程是自動化專業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目標，需協調好理論教學、實驗教學以及與多學科的融合關系，這對學生和教師都提出了較高的要求，筆者根據多年教學經驗，就“運動控制系統”課程的教學談幾點體會。

1 整合教學內容，注重課程融合

整合教學內容的目的就是強調“運動控制系統”課程本身的系統性和教學內容的關聯延續性[1]。由于“運動控制系統”課程涉及的知識點多、知識面廣，和前續多門課程相關聯，在課堂教學中，教師應根據教學內容，對涉及的相關知識點進行簡要的穿插回顧，以使教學內容無縫連接，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系統時，可以把以前與運動相關的專業知識與它融合到一起，可突出兩部分:

(1)能量變換裝置:由于實現電氣能量形態變換的電力電子變換裝置已經在專業基礎課“電力電子技術”中講過，所以本課程僅簡單復習所要用到的有關內容，把兩門課程融合起來即可[2];

(2)負載拖動:在單閉環運動控制系統的學習過程中，可將專業基礎課“電機及拖動基礎”中有關拖動的知識點提出，并重點講解它與單閉環控制系統的聯系。在此基礎上通過對工程實際運動控制系統的剖析，研究基本的控制規律和實現的原理，用系統的觀點去講授教學內容，循序漸進地由簡單系統向復雜系統過渡，讓學生在理解基本原理的基礎上，建立基本控制系統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工程設計能力和初步的研發能力。

2 理論聯系實際，內容循序漸進

課程教學過程中，注意理論聯系實際，可以引入日常生活所接觸到的拖動系統，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的工作原理，將課本上的知識與現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。

教學內容要循序漸進。在講授新的問題之前，對已學內容進行適當總結，分析其優點和不足之處，引出解決問題的可能途徑，為新的內容講授埋下伏筆。例如:在單閉環直流調速系統的教學過程中，實現系統調速有多種方案，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容，在原始系統的基礎上，始終以電動機調速為主線，通過提出問題、應用已學相關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，使相關內容變得易于理解和掌握。

3 改進教學方法，激發學習興趣

3.1 抓住主線，突出重點

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

直流調速部分教學主要以閉環控制系統為主線。主線設計可分以下幾步: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，引出相應的調速方案[3];②利用自動控制原理所學內容，建立控制系統數學模型，并根據數學模型，計算滿足系統性能指標的調節器參數;③利用自動控制原理的知識，計算其靜態特性和動態穩定性，并在計算結果的基礎上進行校正;④利用仿真軟件根據校正前后的參數模擬對比運行，觀察對比結果，印證所學理論知識。

交流調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，在后續課程才會講授相關的內容，就造成教學內容的不連貫。此時用變頻調速把此處貫穿起來，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速的幾種類型，即恒壓頻比控制、轉差頻率控制、矢量變換控制和直接轉矩控制等[4]。

3.2 數學推導與物理概念有機結合

由于變頻調速技術的飛速發展，利用數學變換來實現某些控制策略已是必不可少的內容，教學中若處理不好數學變換過程的講解，就會將課程內容變成枯燥的純數學推導，會使學生對理論推導內容與變頻調速之間的關系混淆不清，因此必須將數學推導與相應的物理概念有機結合，使數學推導由物理概念來支撐，給原理性物理概念找到數學理論依據，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學變換。

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

(1)坐標的旋轉變換的物理概念和變換方法，應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，會在定轉子氣隙中產生旋轉磁動勢，切割閉合的轉子導體，從而產生轉子電流，而載流導體在磁場中會受到力的作用，這樣就會使得轉子運轉起來。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)變換應遵循什么樣的條件，應以產生等效的磁動勢為前提，只要其大小和旋轉的速度一樣，對同一個轉子而言，其結果就是一樣的，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，這樣將產生旋轉磁場，如果大小和轉速與通以三相交流電時一樣，其結果就是一樣的。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，使它產生的合成磁動勢與通以交流電時一樣，其結果是由于磁動勢不旋轉，對轉子不產生任何力，轉子不可能轉起來。設想用外力拖動使這個坐標系以上述旋轉磁場的轉速旋轉，對同一個轉子而言，其結果是一樣的，但此時的坐標系是旋轉的，繞組通的是直流電，因此把此坐標系稱為旋轉坐標系。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，但結果是相同的。假定人站在旋轉的坐標系上，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用直流電動機的控制方法實現。

4 增加創新實驗，注重課程設計

4.1 驗證性實驗與創新性實驗

“運動控制系統”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，教師應引導學生用工程思維來完成實驗，不要只注意驗證結果，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。例如:測試調速系統各單元部件的特性、功能及參數，其主要作用是為運用工程方法設計后續實驗的控制器參數做鋪墊。

對于其創新性實驗，主要是運用已測得的系統參數及各種調速方法，對構成閉環控制系統的控制器進行理論設計與實驗調試，從而滿足系統要求的性能指標，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計方案，設計出控制系統主電路;②確定調速方案;③建立控制系統數學模型;④依工程設計方法設計調節器參數;⑤利用仿真軟件設計模擬系統，觀察設計效果是否能滿足性能指標要求，根據結果修正設計的調節器參數;⑥最后進實驗室進行硬件調試。一個創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合起來，融會貫通，加深了對“運動控制系統”相關理論知識的認識、理解與應用。

4.2 課程設計教學環節

“運動控制系統”課程設計是為了使學生更好地掌握理論教學內容而進行的，它將以前所學的多門課程知識整合在一起，開發出一個實際的運動控制系統。在這個系統里既有硬件電路設計，又有軟件設計，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用系統，學生畢業后基本可以勝任企業的研發工作。

4.3 計算機輔助分析軟件的應用

由于運動控制系統中有許多復雜、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用，加深學生對基本理論和應用系統的理解。

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根據現有實驗條件，結合理論課內容，首先讓學生完成驗證性的簡單應用系統的實驗內容;②將這些簡單應用系統作為任務布置給學生，讓學生嘗試著采用仿真軟件完成，例如:讓學生利用Matlab軟件完成單閉環直流調速系統仿真;③在學會熟練使用仿真系統的基礎上，完成復雜系統的仿真，并進行仿真驗證。通過對仿真結果的比較，找到參數與結果之間的內在關系，為學生實際調試時調整方向提供依據;④在此基礎上鼓勵學生完成實際復雜應用系統的電路制作、焊接和調試。

5 結語

通過對“運動控制系統”教學的不斷探索，合理安排課堂的教學、實驗內容，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”課程的教學質量，使原本較難學習的“運動控制系統”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”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”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-運動控制系統[M].3版.北京:機械工業出版社，2003.1.全部英文改為