开设“运动控制技术”综合实验课程的设想＊

严刚峰 方 红 杨 维 雷 霖 杨洪军 赵 静 郭 兵

(1.成都学院 四川成都 610106;2.四川大学 四川成都 610065)

运动控制技术是将强电技术与弱电技术相结合的电气、自控类实用性很强的一门技术，是工业自动化、电气工程及其自动化、测控技术与仪器等工科专业广泛开设的一门重要的专业必修课。其内容所涵盖的知识面很宽，专业知识的要求也很高，其综合性与实践性都很强。如何有效开设该课程的实验，对于提高工科大学生的实际动手能力、分析与解决具体问题的能力都具有重要的意义，是一个值得深入探讨的课题［1］-［3］。

一、现有运动控制技术实验教学的主要问题

对于现有运动控制技术，其实验教学的主要目的在于培养创新人才和提高电气、自控类专业工科大学生的工程应用能力。而传统的运动控制实验教学存在如下主要问题:

教学模式普遍存在重理论、轻实践，重知识、轻能力的状况，这样培养出来的大多数学生明显缺乏工程创造性，特别是缺乏分析问题和解决问题的实际工作能力。在传统的工科实验教学中，学生的实验一般都是按标准的程序，来验证相应的基本原理，特别是实验教材，对实验所需的仪器设备、线路连接方法、具体的操作步骤、需要观察的实验内容、实验的具体结果等，都会给予详细的说明，这样的实验是无法达到培养学生的动手能力以及分析和解决具体问题能力，更不要谈如何对学生的创新意识进行培养了。

运动控制理论的教学，所依附的理论课程较多，涉及“自动检测与传感器技术”、“数据采集与通信”、“自动控制理论”、“电机学”、“电力电子技术”、“程序设计”、“微机原理”等多门课程。这些课程各自都设置了相关实验，其实验又依附于各自理论课程的教学体系。这种传统的实验教学方法所存在的问题是:实验课仅仅是对相关原理的简单验证，缺乏对所学的相关知识进行融会贯通，特别是对学生举一反三能力的培养;同时不同课程的有些实验，还存在部分实验内容重复，缺乏完整性，仅局限于所学对应课程内容的实验，而与其他密切相关课程的横向联系较少的突出问题。这样不利于对学生综合素质的培养，如综合实验能力、实验设计能力和科学研究能力的培养，每一门课程的实验结束时，学生仅仅是完成了某门课程的单一知识点的实验，而对实验课程的总体缺乏认识;实验也存在内容陈旧老化，很难体现现代科学技术的发展水平;实验室、实验仪器被各门课程的实验分别占有，利用率较低。

近年来，随着电力电子技术、传感器技术、微电子技术、微型计算机技术、永磁材料与电机控制理论的快速发展，运动控制技术也有了长足的进步，如何对运动控制实验课程的教学，在内容和模式上进行改革探索。重点在于减少经典内容，增加现代最新的技术，能在有限的学时内，使学生掌握的运动控制理论知识、技能，能够与时代的发展同步，是目前运动控制技术课程实验教学存在的主要问题。

二、开设“运动控制技术”综合实验课程的设想

如何整合“自动检测与传感器技术”、“数据采集与通信”、“自动控制理论”、“电机学”、“电力电子技术”、“程序设计”、“微机原理”等多门课程与“运动控制技术”实验课程密切相关的实验内容，从被控对象的建模、控制信号的获取与变换、自动控制算法的设计，到整个运动控制系统的建模、仿真、验证以及最后的整个系统的性能分析，开设这样一个完整的运动控制系统工程化实验课程，达到有效提高学生的实际动手能力、分析与解决具体问题的能力。对于能力很强的学生，还可有效培养其科学研究的能力。下面简要叙述开设“运动控制技术”综合实验课程的总体设想。

(一)运动控制综合实验设备的设计。可以考虑采用如图1的原理框图［4］来设计“运动控制技术”综合实验设备。其中键盘、显示部分可以整合“微机原理”中的相关实验;电源、制动、IGBT逆变部分可整合“电力电子技术”的相关实验;被控电机部分可整合“电机学”中与被控电机的建模与测试的相关实验，同时可考虑MATLAB软件的运用;位置、电流、速度传感器、故障检测与保护部分可考虑结合“自动检测与传感器技术”来设计相关实验;RS232、RS485、CAN通信部分可考虑结合“数据采集与通信”中的相关实验来设置，I/0、模拟量输入、嵌入式数字信号处理器部分实验可以结合“自动控制原理”、“计算机控制技术”、“程序设计”、“微机原理”、“嵌入式技术”等课程的相关内容来设计，并运用MATLAB来完成控制算法的仿真、程序的编写与调试。

图1 “运动控制技术”综合实验板原理框图

(二)开设实验项目的设想。本着“厚基础，宽口径，求创新”的原则，可以考虑对旧的实验教学体系进行全面革新。打破传统的按单一课程开设各自实验的教学模式，在控制科学与工程一级学科平台上构建完整的、贯通的“运动控制技术”实验课程的教学体系。实现“一体化、多层次、开放式”的理论基础与专业技能相结合的综合实验教学新模式，重点体现出“基础性、综合性、实践性、创新性”的特点。可以考虑从信号的检测、传输、采集和处理，被控电机的建模与仿真，控制算法的设计与程序实现到整个运动控制系统的性能分析，这样四个部分来设计完整的运动控制系统的工程化实验项目，从而达到培养学生的实际动手能力、分析与解决具体问题的能力。

(三)实施的设想。可以考虑在大学四年级的上学期开设“运动控制技术”综合实验课程。考虑到学生已经学习了相关课程，并且相关课程实验的整合过程也比较繁琐，以及学生已学知识的遗忘情况，可以先以选修课的形式试行，待相关条件成熟，再将其以必修课的形式固定下来。总学时可控制在50学时左右。实施过程可先由学生通过对运动控制实验电路板原理图的理解，以熟悉电子电路的设计到制板，再到实物的全过程。考虑到运动控制实验电路板设计的复杂性，可由实验教师完成电路原理图的绘制、印刷电路板的排版，学生全程参与这个过程。对于能力很强的学生，也可由学生设计出电路原理图，待实验教师审阅后再制板。先结合具体被控电机，通过建模与实际测试实验，了解该电机的起动、制动和调速的特性，为设计相应控制算法奠定基础;再通过数据采集与处理实验，完成运动控制所必须的电流检测、速度检测、位置检测的实验设计以及检测信号的去噪处理;最后在嵌入式芯片中设计出相应的控制算法，这一部分实验，可以发挥学生的主动性，控制算法可由学生自主选择，不仅仅是常规的PID算法，学生感兴趣可以选择其他的先进控制算法来实现电机的控制，达到充分调动学生的学习热情、自学能力以及对未知领域进行独立探索的积极性，有效提高工科学生综合能力的培养效果。以50学时为例，“运动控制技术”综合实验课程可考虑这样安排:运动控制实验电路板制板以及调试过程安排10学时左右，被控电机的建模过程所涉及的实验可安排8学时，信号检测与去噪的实验设计可安排8学时，控制算法设计可安排18学时，系统的性能分析与综合实验报告的撰写可安排6学时左右。注意以上“运动控制技术”综合实验课程的学时安排仅仅是实验室教学的学时，考虑到这一门综合实验课程时间跨度为一个学期，在充分调动学生对综合实验积极性的基础上，有大量的课余时间可供学生完成资料的查找与理解，同时实验室可建成开放式的管理模式，便于学生对实验内容的实时调试。这样在时间和条件上，完成“运动控制技术”综合实验课程是有保障的。

三、结束语

实验教学的目的不仅仅是为了巩固和验证所学的理论知识，更为重要的是为了培养学生的动手能力、观察能力、思维能力、创新能力以及独立分析和解决问题的能力。本文分析了目前“运动控制技术”实验课程教学中所存在的一些问题，提出打破现有运动控制学科传统实验课程的教学体系，开设“运动控制技术”综合实验课程的设想。这对于学生综合素质的提高和创新能力的培养是有实际意义的，这种综合的、探索式的实验课程，充分凸显了学生的学习主体地位，发挥了学生对做实验的主动性和积极性，培养了学生对相关未知领域进行独立探索的能力，与传统实验教学方式相比，这种探索设计性的实验，对实验教师的能力、实验教材的内容以及实验设备的性能都提出了更高的要求，需要进一步深入研究。

［1］汪方斌，陈 杰，胡宏祥，等.“控制电机”教学与研究［J］.中国电力教育，2010，(27).

［2］王景中，王月海.电类学生实践与创新能力的实践体系研究［J］.电气电子教学学报，2010，32(5).

［3］方清城，罗中良，官 峰.《运动控制系统》的开放式实验教学［J］.中山大学学报论丛，2005，25(1).

［4］严刚峰，严秀华，徐宁王景.电动变桨距半实物控制系统仿真测试平台设计［J］.实验技术与管理，2013，(7).