基于Matlab的“运动控制系统”课程教学改革

蒯松岩， 衡凤平， 崔　鑫， 谭国俊， 邓先明

(中国矿业大学 信息与电气工程学院， 江苏 徐州 211116)



基于Matlab的“运动控制系统”课程教学改革

蒯松岩， 衡凤平， 崔鑫， 谭国俊， 邓先明

(中国矿业大学 信息与电气工程学院， 江苏 徐州 211116)

摘要:本文介绍我校“运动控制系统”课程进行教学改革的思路。对Matlab仿真融入该课程课堂教学、实验教学及课程综合训练整个过程进行了探讨。重点阐述了引入Matlab控制系统仿真的课堂理论教学、基于虚拟实验平台的实验教学和研究式课程综合训练三方面的内容。

关键词:运动控制系统;教学改革; Matlab

0引言

“运动控制系统”是自动化专业的一门传统专业课。课程内容涉及许多抽象的控制理论知识，学生学习难度较大[1，2]。“运动控制系统”又是一门面向应用的课程，与工程实际联系紧密。如何将抽象的运动控制系统理论知识与工程实际应用很好的结合起来，是我们在教学中一直探索的问题。

Matlab是一款面向科学与工程的优秀、高效的科学计算应用软件。一方面Matlab提供了面向系统传递函数、基于控制系统工具箱的仿真方法，对于建立动态结构图的控制系统分析设计十分方便；另一方面Matlab提供了面向系统电气原理的结构图，使用Power System工具箱便可进行电路仿真工作[3]。

本文结合“运动控制系统”课程教学方法的改革，将上述的Matlab两种仿真工具融入课堂理论教学、实验教学及课程综合训练整个教学过程，推进了课程教学改革的进行，取得了良好的教学效果。其思路是：将Matlab 仿真引入课堂教学，加强学生对理论知识的理解；利用Matlab虚拟实验平台，培养学生分析问题的能力；指导学生进行研究式课程综合训练，培养学生综合运用理论知识的能力。

Matlab仿真在课程教学改革中的作用如图1所示。

1课堂理论教学引入Matlab仿真

从控制系统角度来看，运动控制系统中电力电子变换器、电动机和转速反馈等各个物理环节都可

图1　Matlab仿真在课程中的作用

以抽象为基于传递函数的控制系统模型。利用Matlab控制系统工具箱可以很方便地完成基于传递函数的控制系统性能分析和参数整定，并根据仿真结果对设计参数进行必要的修正和调整。因此，将Matlab控制系统仿真引入课堂，可以在课上随时演示理论设计相对应的Matlab仿真模型，增强学生对抽象理论知识的理解能力，改善教学效果。

具体操作为：在讲到每一章的重点、难点，尤其是理论性比较强的问题时，增加与理论设计相对应的Matlab控制系统仿真。如：讲第二章“比例积分控制的无静差直流调速系统”时，我们在课堂上利用Matlab软件实现比例积分控制和转速负反馈闭环调速系统的仿真模型等内容。在仿真模型中，改变比例系数和积分系数，可以轻而易举地得到振荡、有静差、无静差、超调大或者启动快等不同的转速曲线。经过比较可以发现系统的稳定性和快速性是一对矛盾，必须根据工程的要求，选择一个合适的PI参数。在讲第三章“转速、电流反馈控制的直流调速系统”时，利用Matlab演示双闭环控制系统仿真来直观、方便地理解双闭环起动过程的三个阶段：不饱和、饱和和退饱和；特别是为了增强学生对工程设计方法的理解，通过课本中的工程设计例题，让学生理解工程设计方法通常是在一定的近似条件下得到的。如果用Matlab软件进行仿真，可以根据仿真结果对设计参数方便地进行修正和调整，这样既验证了工程设计方法的有效性，同时也有助于学生增强课程理论知识和实际应用之间联系。

图2是基于Matlab控制系统的无静差直流调速系统仿真模型。利用上述形象化课堂教学方法，将仿真研究引入课堂理论教学，促进了学生对课程基本理论的理解和掌握。

2虚拟实验平台上的实验教学

以前，“运动控制系统”课程的实验安排是完全

图2　无静差直流调速系统仿真模型

围绕课堂理论教学内容进行的,共4 个实验( 3 个直流调速实验, 1 个交流调速实验) ，每个实验 2个课时。实验教学采用浙江天煌公司DJDK-1型实验装置，该装置主电路基于晶闸管器件。其控制部分采用模拟调节器，比较直观、形象，有利于学生掌握双闭环控制的基本原理。但该装置不能完成课本第三章中的直流脉宽调速系统实验和更为复杂的交流电机矢量控制实验。我们考虑到Matlab软件中POWER SYSTEM 工具箱无需对物理模型抽象化，就可以直接建立电气系统物理仿真模型[4]。 因此，我们利用该工具箱建立了直流脉宽调速系统、异步电机矢量控制系统等虚拟实验平台，开展补充实验。

图3为搭建好的交流电机矢量控制虚拟实验平台。

图3　交流电机矢量控制虚拟实验平台

现在，该课程实验由原来的4个压缩为2个，同时增加2个基于虚拟实验平台的上机实验。在上机实验中，学生在完成必做的基本实验后，还可以在其他实验室开放时间内，完成自己感兴趣的内容，包括具体仿真模型如何搭建、仿真模型中关键点的信号是否正常等。此外，我们在课程网站上给出40多道与实验相关思考题，让学生课外练习。例如：当系统带额定负载运行，转速反馈突然断线，系统如何重新进入的问题，电流调节器输入电压偏差是多少？等等。实践证明学生在虚拟实验平台上机操作上投入了很大的热情，许多学生在自己的计算机上将给出的思考题都做了一遍，碰到问题就向教师请教。

3研究型课程综合训练

研究型课程综合训练分三个阶段：①在“运动控制系统”课程开课时就给学生提出课程综合训练的要求，给学生灌输一种主动学习的思想，要求学生带着想法和问题学习本课程；②在课程教学过程中不断引导学生利用课程所学到的知识，结合训练课题探索和解决实际问题；③要求学生在课程结束考试后的一周内，提交一份研究报告，对此次综合训练进行总结并作为总成绩的一部分计入。

综合训练的具体方式为：以3-4人一个小组，自由选择课题。课题要求与本课程内容相关、与实际问题相结合，理论设计结果必须有Matlab仿真验证，可以在实验室或自己计算机上完成。

这种课题研究式学习很受学生欢迎，他们利于课余时间进行了诸如“应用Matlab对直流调速系统双闭环参数设计与优化”、“基于Matlab的交流电机SVPWM控制实现”和“交流电机转速闭环转差频率控制仿真”等课题的研究。

教学实践证明，学生通过多方面、多形式的Matlab实践训练，增强了对理论知识的理解，加强了学习的主动性，学习能力和实践能力都得到显著的提高。

4结语

本文将Matlab仿真融入“运动控制系统”课程的课堂教学、实验及课程设计等整个教学过程，重点阐述了引入Matlab控制系统仿真的课堂理论教学、基于虚拟实验平台的实验教学和研究式课程综合训练三个方面的内容，促进了课程教学改革的进行，使学生的理论分析能力、实践能力和创新能力得到进一步的提高。

参考文献:

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统--运动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2003.

[2]洪乃刚.电力拖动自动控制系统课程建设的实践[J].马鞍山：安徽工业大学学报,2003,20(1):78-79.

[3]于群，曹娜． Matlab /Simulink 电力系统建模与仿真[M].北京:机械工业出版社， 2011．

[4]周渊深. 交直流调速系统与MATLAB仿真[M].北京:中国电力出版社,2004.

Teaching Reform of Motion Control System Course Based on Matlab

KUAI Song-yan, HENG Feng-ping, CUI Xin, TAN Guo-jun, DENG Xian-ming

(SchoolofInformationandElectricalEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou211116,China)

Abstract:The teaching reform of Motion Control System course is put forward based on comprehensive use of Matlab. How Matlab simulation is used in the whole process of curriculum reform is discussed and the whole process includes classroom teaching, experiment teaching and comprehensive training. The teaching mode reform focuses on the three following aspects: introducing Matlab control system simulation into classroom teaching, experimental teaching on virtual experiment platform and researching comprehensive training.

Keywords:motion control system; teaching reform; Matlab

文献标识码：A

文章编号：1008-0686(2016)01-0029-03

中图分类号:G642; TM921.5-4;

收稿日期:2015-04-13;修回日期:2015-07- 06基金项目：中国矿业大学校级教改项目(2014YB15)

第一作者：蒯松岩(1978年，男，博士，副教授，主要从事运动控制系统相关教学和科研工作，E-mail：kuaisongyan@163.com