“运动控制系统”教学方法探索_邵雪卷.pdf

第 卷第 期 年 月电气电子教学学报 收稿日期：；修回日期：基金项目：山西省高等学校教学改革创新项目（，）；太原科技大学教改项目（，）第一作者：邵雪卷（），女，博士，副教授，主要从事“运动控制系统”的教学、交直流调速控制方法研究工作，：“运动控制系统”教学方法探索邵雪卷 赵志诚 张井岗 王健安 陈志梅（太原科技大学 电子信息工程学院，太原）摘要：“运动控制系统”是自动化专业的核心课程，其理论性和应用性较强，内容涉及知识点较多，学生学习起来难度较大。为了激发学生学习这门课程的兴趣，培养学生发现问题和解决问题的能力，加深学生对课程内容的理解，进行了相应的教学方法研究，将“系统”概念和“比较”思想融入课堂教学中，并使用线上辅助教学方式。两年的教学实践证明，采用给出的教学方法能够提高学生的学习热情，更好地掌握该课程的内容。关键词：理论性强；知识点多；教学方法中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，“”“”，：；“运动控制系统”是一门综合性比较强的自动化核心专业课程，它涉及“电力电子技术”“自动控制理论”“电机学”“检测技术”“计算机控制技术”等多门专业基础课程知识。该课程理论性和应用性强，内容抽象，理解起来难度较大，知识点多且零碎，学生学习起来比较吃力。为了提高学生学习这门课程的兴趣和学习效率，提升“运动控制系统”课程教学质量，国内许多高校的教师纷纷采取措施，改革教学模式。江苏大学的于焰均老师教学团队在教学中采用翻转课堂，并给出具体的实施策略，充分发挥了学生自主学习的能力；一些高校教师在“运动控制系统”课程授课过程中，引入 计算机仿真软件辅助教学，使学生积极地参与到课堂教学中。西安工业大学的焦灵侠老师淡化公式推导，强调理论应用，将工程应用穿插于课堂教学。为了响应“国家一流本科课程”建设的需要，提高学生的实践能力，江南大学的樊启高老师将具有前沿性的控制策略用于永磁同步电机中，学生通过实验了解了先进控制方法在实际电机中的应用。自 年起，太原科技大学自动化专业 级学生初次使用新修订的 版培养方案，新版培养方案中，“运动控制系统”课程学时数由原来的 学时缩减为 学时，其中课堂教学 学时，实验教学 学时。如何能够在学时减少大纲内容不变的情况下完成教学任务，有效提高学生的课堂学习效率，帮助学生更好地掌握这门课程内容，是该专业课程教师需要思考的问题。教学方法的改进为了使学生能够更好地掌握“运动控制系统”课程的理论体系，笔者在授课过程中紧密联系学生前期所学过的“自动控制理论”课程相关知识，在课堂教学中融入“系统”的概念，并将“比较”的思想意识贯穿整个课堂教学中，以提高学生的学习效率和对本课程内容的理解。紧密联系“自动控制理论”课程“运动控制系统”是自动控制理论应用的一个分支，笔者在讲授课程过程中紧密联系“自动控制理论”课程。在第一节课给学生讲授运动控制系统的构成时，和“自动控制理论”课程中自动控制系统的构成联系起来。一个完整的自动控制系统主要包括控制器、执行元件、被控对象和检测元件。自动控制的目标是在自动控制装置作用下使被控量按照期望的要求变化。运动控制系统是由控制器、功率放大与变换装置、电动机及检测装置等构成，其结构框图如图 所示。图 运动控制系统组成运动控制系统的被控对象是交、直流电动机，被控量是电机的速度或位置。根据被控对象电动机类型的不同，课程内容分为直流调速系统和交流调速系统两大部分；执行元件是功率放大与变换装置，根据执行元件的不同，开环直流调速系统分为 系统和 系统；控制器可以采用传统的 或，根据控制器的不同，闭环直流调速系统分为有静差直流调速系统和无静差直流调速系统。检测元件是测速发电机或旋转编码器。运动控制系统的控制目的是使电机转速按照期望值运行或者使输出量位置快速准确地复现给定量变化。“自动控制理论”中对一个自动控制系统的基本要求是：稳定性、准确性、快速性，在“运动控制系统”中这些要求又如何体现？在授课过程中，首先抛出问题，引导学生积极思考，然后再给出调速系统中的具体要求：调速、稳速、加减速，并告诉学生不同的系统，除过稳、准、快三个基本要求以外，还会有一些不同的具体要求，如调速系统中会对调速范围有一定的要求。学生在“自动控制理论”中学过建立数学模型的方法，系统的稳定性分析、控制器的设计问题，具体到运动控制系统中各个环节的数学模型是如何建立起来，各环节具体的模型是什么，建立出模型后如何分析系统性能，如何基于数学模型采用工程方法设计 控制器。把上述一系列问题和“自动控制理论”课程内容联系起来，学生既明白了控制理论课程在实际中应用，又比较轻松地理解了“运动控制系统”课程的相关内容。“系统”概念融入课堂教学为了培养学生发现问题的意识和提高解决问题的能力，让学生能够掌握各种系统结构的优缺点，以便能够根据实际需要选择合适的系统结构。笔者在讲授该课程时，引导学生分析各种系统结构的优点以及存在的问题，并给出相应的解决办法。以直流调速系统为例，直流调速系统按结构分为开环直流调速系统、单闭环直流调速系统、带电流截止负反馈的闭环直流调速系统、双闭环直流调速系统，如图 所示。图 几种直流调速系统图 中这几种系统结构由简单到复杂，层层递进。讲授每一种系统结构之前和学生一起讨论前面控制系统存在的问题，以及为了解决这些问题需要对原系统结构进行怎样的处理。如讲完开环直流调速系统后，通过一道例题和学生共同研究，得出这种开环结构在龙门刨床应用中存在额定速降高，静差率大的问题，不能满足实际生产工艺的要求，怎么办？提出问题，引导学生从自动控制理论的特点进行考虑，得到引入电机速度反馈的解决办法。在讲解电流截止负反馈直流调速系统之前，先让学生思考如果电枢电流过大或系统存在堵转时，现有的单闭环调速系统结构能否处理这个问题。如果不能，用学过的理论知识能否解决？采用什么方法解决？学生通过积极思考，提出一些解决问题的方法。在实际中，对于如可逆轧钢这样经常需要正、反转运行的调速系统，对起动（或制动）过程快速性要求比较高，前面三种调速系统能否满足这个要求？画出电流截止负反馈系统电机起动时电流波形和理想起动电流波形，让学生分析两种波形之间的区别后，自己再给出要实现理想起动过程所采用的电流调节器和速度调节器串级连接的双闭环直流调速方案。第 期邵雪卷，等：“运动控制系统”教学方法探索同样的方法可以应用到交流调速系统中，图 给出交流调速系统的控制方法。交流调速系统包括基于稳态模型的调速系统和基于动态模型的调速系统。基于稳态模型的调速系统包括转速开环变压变频调速系统和转速闭环转差频率控制的变频调速系统；基于动态模型的调速系统包括矢量控制系统和直接转矩控制系统。让学生了解每种系统的优缺点，有助于在实际应用中选择满足性能要求的控制系统。图 几种交流调速系统学生通过各种系统结构分析，不仅掌握了每种结构的特点，而且以“系统”为主线，学习每种系统的相关内容，会使得一些看似无关的知识点有章可循。如对于开环调速系统，了解开环系统的构成和特点后，再学习晶闸管整流装置和 变换器两种执行机构的工作原理、数学模型和机械特性等；对于单闭环和双闭环调速系统，了解闭环系统的构成和特点后，学习比例（）、积分（）以及比例积分（）控制器的特点、反馈控制规律以及调节器的工程设计方法。经过“系统”概念的灌输，在设计一个控制系统时，学生自然而然地就知道需要考虑哪些方面的问题，应该如何根据实际性能要求选择控制系统结构以及系统中的各部分元器件。“比较”思想贯穿始终“运动控制系统”课程内容分为交、直流调速两大部分，其中直流调速部分是基础，在讲授的过程中，把“比较”的思想贯穿整个课程的讲授过程中，更有利于学生对内容的把握和理解。）不同课程内容的比较“运动控制系统”和“过程控制系统”是自动化专业的核心专业课程，都是运用自动控制理论的知识分析问题和解决问题，但两门课程的被控对象特点和执行机构完全不同。运动控制系统响应速度比较快，被控对象是交、直流电机，被控量是电机的转速或位置，执行机构目前使用比较多的是由电力电子器件构成的可控硅整流装置、变换器或 变频器；过程控制系统是慢过程，被控对象范围比较广泛，如锅炉、水箱、管道等，被控量是温度、液位、压力、流量等，执行机构一般是调节阀。通过简单的比较，学生对这两门课程的区别会有个大概了解。）交、直流调速内容的比较（）直流调速部分相关内容的比较：在讲授直流调速系统过程中，例如将 调速系统和 调速系统特点进行比较，和 两种控制方法特点以及采用这两种方法在负载突变时各变量变化情况比较；开环控制和闭环控制在转速降落、转差率和调速范围方面的比较；电流截止负反馈控制和双闭环直流调速系统在电机起动过程中转速和电流比较；可逆 调速系统和晶闸管可逆调速系统比较。（）交流部分相关内容的比较：交流调速系统中，变压调速和变频调速调速原理的比较；四种 控制技术控制目标和特点的比较；矢量控制和直接转矩控制原理和特点的比较；三种电压频率协调控制在频率变化时机械特性曲线的比较；同步电动机和异步电动机数学模型和控制方法的比较，等等。（）交、直流部分相关内容的比较：在讲解交流部分时，和直流部分相关内容进行比较。比如交流电动机的数学模型具有高阶、多变量、非线性和强耦合的特点，让学生将交流电动机的数学模型和直流电动机数学模型的特点进行比较；交流中的转速闭环转差频率双闭环系统和直流双闭环调速系统从系统结构、控制器和控制效果三方面进行比较；交流调速方法和直流调速方法类型的比较；交流异步电动机和直流电动机开环机械特性以及闭环静特性特点的比较。通过比较，有利于学生对知识点的准确把握，以免相近知识点的混淆。线上辅助教学的使用随着网络的普及以及网络资源的增长，传统的单一线下授课方式不太能适应 后“网络原住民”学生的需求。线上教学模式突破了传统教学时间和空间的局限性，迎合了学生对新生事物的热情和好奇的特点，能够更有效地利用高质量的网络资源进行辅助教学。为了方便学生预习、复习和答电气电子教学学报 第 卷疑，将线上教学作为辅助手段引入。线上教学主要是利用“超星学习通”网络平台。经过 年和 年两年时间，完善了网络平台上该课程所需的学习资料，包括课程的 资料、各章节的视频资料、题库资料等。学生可以通过学习通中的视频资料对课堂内容进行相应地预习和复习。每节课堂教学任务完成后，在学习通的题库中选择 道题目，利用 完成并计入平时成绩。通过课堂练习这种方式不仅可以及时巩固课堂内容，加深对课程内容的理解，而且可以提高学生上课的注意力，降低缺勤率。目前，学生到课率基本上能够达到 以上。另外，在企业微信中建立该课程学习群，学生有疑问随时可以在群里留言，或以文字形式或以语音形式，也可以私发给教师。这种线上答疑方式能够及时解决学生的疑惑，有效缩短师生之间的交流周期。结语针对“运动控制系统”课程本身的特点和学时缩短的现状，给出适合太原科技大学学生学习的教学方法。经过两年的教学实践，学生学习这门课程的积极性和主动性有所提高，畏惧情绪也得到有效的缓解，发现问题和解决问题的能力有明显提升，这使学生在进行毕业设计、继续科学研究和就业方面具有更大的优势。采用提出的教学方式，学生能够通过企业微信及时解决自己在学习中遇到的困难和问题，能够更加准确地掌握易于混淆的知识点，获得了良好的教学效果。参考文献于焰均，朱熀秋，孙宇新“电力拖动自动控制系统”课程的教学改革 电气电子教学学报，（）：，王丽婕 电力拖自动控制系统中的仿真教学探讨教育教学论坛，（）：邵雪卷，张井岗，陈志梅，等“运动控制系统”课程教学改革与实践 电气电子教学学报，（）：，焦灵侠 运动控制系统教学改革的研究 电子测试，（）：樊启高，沈艳霞，朱一昕，等 一流课程建设需求下的“运动控制系统”教学研究 电气电子教学学报，（）：第 期邵雪卷，等：“运动控制系统”教学方法探索