“运动控制系统”课程教学改革与实践

邵雪卷， 张井岗， 陈志梅， 于少娟

(太原科技大学 电子信息学院， 山西 太原 030024)

“运动控制系统”课程教学改革与实践

邵雪卷， 张井岗， 陈志梅， 于少娟

(太原科技大学 电子信息学院， 山西 太原 030024)

本文针对“运动控制系统”这门综合性和实践性很强的课程，就其改进教学方式和加强实践教学环节两方面进行探讨，给出了适合本校学生学习的教学方法。教学实践表明，这种做法提高了“运动控制系统”的课程教学质量，激发了学生的学习积极性并取得了良好的教学效果。

运动控制系统；教学方式；实践教学

0 引言

“运动控制系统”是自动化专业的核心专业课程。该课程依赖的基础课程较多，知识面广，覆盖“电机与拖动”、“电力电子技术”、“模拟电子技术”、“自动控制理论”、“计算机控制技术”等课程的相关基础知识[1,2]；而且其涉及的知识实际应用非常广泛，是一门综合性非常强、 理论与实际结合紧密的课程。在教学过程中很多学生反映学习该课程的难度比较大，理解起来比较困难。

针对“运动控制系统”教学过程中存在的问题，国内许多高校对该课程教学进行了改革探索[3-7]，取得了不错的效果。文献[3]结合实际教学条件，从教学方式和发挥Matlab/Simulink的作用及加强实践环节等方面对课程教学进行了改革。文献[4，5]利用 Matlab的Simulink和Power System工具箱设计了运动控制系统仿真实验。为了培养学生的学习兴趣和工程实践能力，文献[6，7]对运动控制实验教学进行了改革。

笔者根据多年来对这门课程的教学经验，结合本校的实际情况，在教学过程中及时调整教学方法与技巧，加强学生的实验与实践能力，培养学生学习这门课程的主动性和积极性，力求在教学过程中能够注重学生的基础理论知识的理解与掌握，加强课程的实践性教学内容。

1 改进教学方式

1.1 处理好先修课程与本课程的关系

“运动控制系统”是一门综合性比较强的课程，经常第一节课结束后便有学生反映说自己的电机或电力电子技术基础较差，对上好这门课程没有信心。实际上，“运动控制系统”只是用到部分或少部分先修课程的内容，例如对于电机与拖动，只涉及到电机的机械特性方程及调速的基本方法，并不涉及电机的内部结构；对于电力电子技术，只需掌握整流与逆变的基本概念；对于自动控制，也只需知道一个完整的自动控制系统的构成。因此，我们在第一节课就给学生说清这些内容，鼓励学生学好本课程；在授课过程中也不一味强调先修课程的重要性，以免学生由于对先修课的相关知识掌握不够深入或由于遗忘较多而产生对本门课程的厌烦情绪。当用到相关先修课程的知识点时，就提前告诉学生课下预习或在上课前简单地复习一下相关内容。这样既解决了学生的心理问题，又有利于学生掌握本门课程的内容。

1.2 变换角色

课堂教学是以教师主讲形式进行的。对于相对比较简单的章节内容，可让学生在课下自己先预习，去图书馆查阅相关资料，自己备课，然后课堂上让尽可能多的学生走上讲台，根据学生自己对内容的理解进行讲解。然后教师再针对学生在讲解中出现的问题，对知识点做一些归纳和总结。这种方法不仅有利于培养学生的语言表达能力，而且锻炼了他们的胆量、逻辑思维能力和对新知识的自学能力。

1.3 单元消化法

“运动控制系统”课程内容较多，在教学过程中，让学生每学完一章写一个总结，对知识点进行梳理及消化。这样可以使学生及时了解自己对本章节内容的掌握情况，知道自己对哪些知识点掌握得比较好，哪些知识点理解得还不太透彻，哪些知识点根本没有理解，做到及时查缺补漏。下节课开课前花几分钟时间对上节课做一个简单的回顾，让学生做到 “温故而知新”；每节课最后几分钟，对本节内容做一个简短的总结，明确告诉学生哪些地方是重点，哪些只需一般了解，让学生做到复习时有的放矢。各章之间虽然有一定的联系，但相对来讲还是比较独立的。如果学生前一个单元没有掌握好，就及时提醒学生，告诉他们各个单元内容是相对独立的，前面单元内容掌握的好坏对后面内容的掌握影响不太大，不要灰心。对有联系的单元，也会给学生指出来，让学生了解知识点的衔接[8]。

2 加强实践环节

“运动控制系统”的实践教学环节有课堂仿真、课堂实验、课程设计和毕业设计等。

2.1 发挥Matlab在教学中的作用

在课程设计过程中，我们发现很多学生对如何设计调节器参数、调节器参数对系统性能有什么影响、怎样评判调速系统的性能等问题比较茫然。针对这种情况，我们将 Matlab 仿真用于“运动控制系统”教学，在仿真过程中修改调节器参数，获得不同的仿真曲线，通过观察分析曲线，学生了解了调节器不同参数值对系统动态及静态性能的影响。

在课程理论讲授过程中，专门留出2个学时的时间，让学生自带笔记本电脑，两个人一台或一人一台。在Matlab的Simulink 环境下搭建直流电机开环系统、转速单闭环系统、转速电流双闭环系统。其中对直流电机开环系统和转速单闭环系统研究比较简单，仅观察输出的转速随给定值改变而变化的规律即可。在转速电流双闭环系统中，研究在速度和电流调节器分别采用P和PI调节器时调节器参数变化是如何对转速和电流产生影响的。首先让电流调节器类型和参数保持不变，速度调节器采用P调节器，改变参数值大小，观察仿真曲线，使学生了解比例系数对动态性能和稳态性能的影响；然后速度调节器采用PI调节器，保持比例系数不变，改变积分系数，观察积分系数对动态性能和稳态性能的影响。接着速度调节器类型和参数保持不变，改变电流调节器的类型和参数，通过曲线观察对系统性能的影响，加深学生对所学理论知识的理解。

Matlab的Simulink仿真在我们的“运动控制系统”教学中已经取得一定效果, 在以后的教学中如果时间允许，会进一步增加仿真内容，把交流调速系统的相关内容也进行仿真实现；还可以运用先进的控制方法如模糊控制、预测控制、内模控制、滑模控制等，代替传统 PID 控制方法，分析比较不同控制方法对系统性能的影响， 使得学生对不同控制方法有更加深入的理解和掌握。

此外，Matlab的PSB工具箱具有强大的功能，其仿真图形逼真、直观易懂，且改变参数容易,既不用担心元器件损坏，也没有任何危险。学生在课下针对课堂讲授过程中提及的课程难点与重点，利用PSB工具箱设计各种运动控制系统进行仿真，并可任意地修改电路和参数，观察所设计系统运行的效果。由于该课程课堂学时有限，对于PSB 工具箱仿真一般放在课程设计阶段完成。

2.2 重视实验环节

我校 “运动控制系统”课程总共 64 学时，该课程内容多，实验难度较大，耗时较多，且实验具有连续性。一直以来，学院没有安排课内实验环节，仅在课程设计中让一部分学生参与了实验。2013年我校对教学大纲进行改革，减化了部分章节内容，弱化了一些公式的推导过程，增加了四个课内实验：①晶闸管直流调速系统参数测定实验(2学时，测试性实验)；②单闭环不可逆直流调速系统实验(2学时，包括单元调试)；③双闭环晶闸管不可逆直流调速系统实验(2学时，设计性实验)；④双闭环控制的直流脉宽调速系统实验(H桥，2学时)。学生3-4人一组，为了避免重复测量参数浪费时间，把单闭环直流调速和双闭环直流调速两个实验合并到一起，利用连续四个学时的时间完成。在H桥实验中，根据学生做实验的具体情况，安排一些动手能力强、实验速度较快的学生做可逆调速，让学生对可逆调速过程有一个直观的了解。逻辑无环流可逆直流调速系统实验难度大，而且需要耗费的时间较长，因此在新教学大纲中没有涉及。

学院电气实验室配备了DJDK- 1 型电力电子技术及电机控制实验装置，该实验装置采用更换挂件箱的方式，搭建不同的实验系统，并通过数字示波器观察电机起动时的转速、电流曲线。一般情况下，首先学生按照要求在该实验装置上进行相关参数的测试；完成参数测试后，利用课余时间对测得的数据进行分析计算，并按工程方法设计出PI速度调节器和PI电流调节器；然后搭建双闭环直流调速系统，观察速度和电流曲线情况，改变调节器参数进一步观察波形图，并进行总结调节器参数变化对系统性能的影响。这不仅有助于学生对所学理论知识的理解和掌握，而且让学生直观地理解了PI调节器参数对系统性能的影响。

课程实验增进了学生对理论的理解，消除或减轻了对这门课程学习的困难, 是培养学生分析能力、动手能力、自主学习能力的重要环节。通过实验，总结出学生实验过程中出现的普遍问题，便于在以后的理论教学中有意识地解决学生在实验过程中遇到的问题，提高教学质量。

2.3 重视毕业设计环节

毕业设计是培养学生综合应用所学基础知识、专门知识进行实践的重要环节, 是独立地探讨或解决本学科某一问题的实际工程训练。

“运动控制系统” 课程的毕业设计中，给学生布置一些能对真实电机进行控制的选题，例如：基于DSP的交流调速系统设计、基于dSPACE的双闭环直流调速系统设计、基于Quanser的直流调速系统设计等。要求学生综合运用所学本专业各课程的理论知识，通过查阅国内外有关文献资料，选择并设计转速、电流调节器，在实验室对调速系统进行接线，编制系统所需要的程序并进行调试，观察实验结果，并根据实验结果调节调节器参数。目前已在我校自动化专业2014届、2015届以及2016届的部分学生中进行了实践，学生们圆满地完成了毕业设计任务。通过毕业设计，学生不仅对原本抽象、枯燥、理解不透的“运动控制系统”课程内容有了更深的理解，而且提高了自身的动手能力和创新能力。

3 结语

“运动控制系统 ”是一门重要的专业课，综合性和实践性比较强。为了使学生更好地掌握这门课程的内容，任课教师需要不断地探索、总结，摸索出适合的教学方法，才能调动学生学习的积极性，提高该课程的教学质量。目前，该课程的教学改革虽然取得了一定的成果，但还有很多地方需要改进和完善，一些教学方法还需在实践中进一步证明。

[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,2005.

[2] 阮毅, 陈维钧. 运动控制系统[M]. 北京: 清华大学出版社，2006.

[3] 周亚丽.“ 运动控制系统”课程改革与实践[J].济南:科技信息，2007,Vol. 5：113，+108.

[4] 杨 静,黄江平,杨 辉等.“运动控制系统”课程虚拟实验室建设的探索[J].南京:电气电子教学学报,2009, 31,增刊:62-64.

[5] 方清城,罗中良,官 峰等.MA TLAB 在电力电子和运动控制系统实验教学中的应用[J]. 西安:西安航空技术高等专科学校学报,2006, 24(3):17-19.

(邵雪卷等文)

[6] 李 萍,厉 虹,侯怀昌.电气工程及其自动化专业运动控制系统课程实验教学改革探讨[J].太原：教育理论与实践,2010,30,(5):61-63.

[7] 倪 超 邹红艳.运动控制系统课程实验教学改革探索[J].济南:科技信息，2010,.31：25，+102.

[8] 尚 丽.运动控制系统课程建设及发展构想[J]. 苏州: 苏州市职业大学学报,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

太原科技大学本科生教改项目(16)；山西省高校教改项目(J2013064)；山西省特色专业建设(201201)

邵雪卷(1975-)，女，博士，副教授，主要从事电气传动的控制策略教学和研究E-mail:sxj0351@163.com

G642

A

1008-0686(2017)04-0066-04