基于OBE理念的电力拖动自动控制系统课程教学改革

2023-09-06郭凯凯

高教学刊 2023年25期

摘要：随着技能型社会对专业要求的不断提高，高素质人才的培养也受到广泛重视。院校作为人才培养的主要环节，与时俱进的教学改革是满足社会发展需求的必然保障。电气工程专业是科技发展的核心专业之一，具有理论性和实践性强的特点，以电力拖动自动控制系统课程为例，以成果导向教育理念为指导，通过搭建便捷式运动控制系统仿真平台，实现实践教学与课堂教学同时进行，使课堂学习更贴近于社会、企业或科研需求，便于实现学生个体学习的自由探索，进而提高学生的综合素质。

关键词：OBE理念；教学改革；电气工程；电力拖动自动控制系统；人才培养

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2022）25-0146-04

Abstract： With the improvement of the professional requirements of the skill-based society， the training of high quality personnel has also received extensive attention. Colleges are the main places of talent training， teaching reform with the times can meet the requirements of social development. Electrical engineering is one of the core majors in the development of science and technology， which has the characteristics of strong theory and practice. The course of Automatic Control System of Electric Pulling is taken as the example， the practice teaching and classroom teaching are carried out simultaneously by building a convenient motion control system simulation platform based on outcome based educational concept， which can make the classroom learning more close to the needs of society， enterprises or scientific research. This kind of teaching mode is convenient to realize the free exploration of students' individual study， and then the overall quality of students is improved.

Keywords： OBE concept; teaching reform; electrical engineering; Automatic Control System of Electric Pulling; talent training

成果導向教育（outcome based education，OBE）理念是以结果为导向，以提升和培养实际应用能力为目标的教育理念，是适应我国高等教育人才培养及社会发展需求的实用性教学模式。OBE教育理念的提出，引起了许多大学的极大共鸣，得到了当今社会的广泛认可。电力拖动自动控制系统课程是电气工程类专业中一门重要的课程，具有知识点多、公式多、学习难度大的特点。对如何提高课程的教学质量，广大一线教师根据自己的教学经验在教学方法和教学手段方面提出了一些可行性方法，例如，在参考文献[1]中，提出了以提升学生素质为目标，通过在教学过程中引入问题、案例和项目，建立了“四位一体”的考核体系的方法提高课堂效率。在参考文献[2-3]中，提出将翻转课堂与课程教学相结合的方法，在参考文献[4]中，将培养高素质人才作为目标，从教学内容、方法、考核方式等方面进行了一系列改革。在参考文献[5]中，从课堂授课方式上进行改革，引导型课堂教学将促使学生由被动向主动学习转变。在参考文献[6-7]中，分析授课过程中存在的问题，从教学内容和手段等方面进行可以满足工程教育专业认证的探索性的教学改革，以提高学生的综合能力。在参考文献[8]中，将“互联网+”和雨课堂相结合，构建混合式课堂教学模式，以提高课堂效率。在参考文献[9]中，将项目驱动的主动教学方法运用到课堂教学中，从理论学习、仿真、实验三个层面，掌握课程的学习内容。在参考文献[10]中，将问题探索性教学方法应用到课程的教学中，培养学生的创新思维。在参考文献[11]中，提出了以学生为中心、学为导向的教学方式，提高学生学习的积极性。在参考文献[12-13]中，采用MATLAB从按照系统动态结构图、系统电气结构图两种途径的教学内容上进行了分析与探讨，使系统的结构和输出结果可视化，方便学者的理解。但是在教学过程中，不管采用何种方法，都是以提高学生的学习效果和课堂效率为最终目的。

本文以此课程中直流调速系统（Direct current speed regulation system， DCSRS）为例，从教学内容的角度出发，对比分析运动控制系统的特点，结合电力电子技术、电机学、自动控制原理等课程中的知识，提出搭建以数字信号处理（ｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＤＳＰ）为核心的便捷式运动控制系统仿真平台的方案，将MATLAB仿真、电力电子变换器和显示器等结合起来，使学生在课堂上便可实现DCSRS的搭建，切实看到设计的结果，便于区分系统的不同。在此基础上，通过设立不同的控制目标，逐步培养学生自主学习的习惯，将复杂的问题简单化，为学生打下踏实的专业基础。

一课程特点分析

此课程主要分为直流和交流调速系统两类，都是以转速、电流和磁链控制规律作为学习的主线，通过控制电压、电流等来改变电动机的转矩、速度等输出。现在生活中，虽然交流调速系统应用十分广泛，但DCSRS是其理论基础，可以为复杂的运动控制系统奠定基础。DCSRS分为开环（Open loop， OL）DCSRS和闭环（Close loop， CL）DCSRS。CLDCSRS分为有静差和无静差的转速闭环DCSRS，其调节器分别采用了比例和比例积分調节器，其原理图中从控制电压Uc一直到直流电动机部分与OLDCSRS一致，区别在于在闭环系统中转速经过测速发电机测速后反馈到输入端。为了避免运动控制系统中电流过流问题，可以采用带电流截止负反馈的无静差DCSRS或者双闭环DCSRS。本文以OLDCSRS为例进行分析，图1为OLDCSRS原理图。OLDCSRS分为晶闸管整流器-电动机DCSRS（V-M系统）（如图1（a）所示）和PWM变换器-电动机DCSRS（P-M系统）两种[14]。P-M系统分为不可逆与可逆两种，其中不可逆P-M系统又分为简单的不可逆P-M系统（如图1（b）所示）和有制动电流通路的不可逆P-M系统（如图1（c）所示）。可逆的P-M系统介绍的是桥式可逆PWM变换器系统（如图1（d）所示）。

图1（a）为V-M系统，通过调节电压Uc的大小改变移动触发装置GT输出脉冲的相位，进而改变输出电压Ud的波形。图1（b）（c）（d）为P-M系统，其中图1（b）（c）为不可逆系统，图1（d）为可逆P-M系统。图1（b）（c）（d）都是通过控制电压Uc调节脉冲宽度调制（pulse width modulation， PWM）波的输出。在V-M系统中，电压的输出值大于反电动势时，晶闸管触发导通，电流id逐渐升高，电抗器处于储能阶段；当输出电压的瞬时值小于反电动势时，电抗器的储能释放电能，虽然电流id可以继续流通，但id逐渐下降。显然，当负载较小时，电抗器储能较少，id在很快下降到零，进而造成电流断流。图1（b）（c）（d）电源电压Us通过开关管VT加到电机电枢两端，使用的全控型功率半导体器件VT的数量分别为1、2、4。二极管VD的作用在图1（b）（c）（d）中都是续流。在图1（b）中，当减少PWM波占空比时，输出电压Ud下降，转速降低，当输出电压Ud低于反电动势时，电流id如果衰减到0，便会出现断流现象，出现与图1（a）相同的问题，因此需反向电流通道来实现制动，如图1（c）所示，VT2和VD1构成了反向电流通路，其工作分为一般电动、制动和轻载电动状态三种。当运行在一般电动状态时，开关管VT1导通，VT2关断，电流id在图1（c）的回路1中流通，当开关管VT1关断，VT2关断时，电流id在回路2中流通。在制动状态，开关管VT2导通，反向电流-id在回路3中流通产生能耗制动作用。当VT2关断时，-id通过回路4向电源反馈能量。在轻载电动状态，开关管VT1关断后，电流id在达到周期T之前已经快速减少到零，当t=t2时，VT2导通，电流方向改变产生制动作用。总之，在一个周期T内，开关管VT1、二极管VD2、开关管VT2和二极管VD1轮流导通，虽然电流方向可以改变，但电压和转速方向不能改变。如果要改变电动机旋转方向，需要再增加开关管和二极管，构成可逆的P-M系统，如图1（d）所示，其电流波形与图1（c）所示系统轻载电动运行状态的电流波形基本一样。当PWM波的占空比大于50%时，平均输出电压为正值，电动机正转，反之电动机反转；占空比等于50%时，平均输出电压为零，电动机停转。当负载较重时，电机电动运行，电枢回路中电流大，续流时电流方向维持不变。当负载较轻时，电机制动运行，续流时电流很快减少到零，反向开关管导通，电流方向发生改变。

通过分析，可以看出，此四个系统的共同点是都需要一个PWM输出单元，此单元可以通过DSP芯片实现，而其电力电子变换装置，可以采用晶闸管整流器、金氧半场效晶体管（ｍｅｔａｌ－ｏｘｉｄｅ－ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｆｉｅｌｄ－ｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ＭＯＳＦＥＴ）或者绝缘栅双极型晶体管（ｉｎｓｕｌａｔｅｄｇａｔｅｂｉｐｏｌａｒｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ＩＧＢＴ）等全控型器件完成，如果这里的实验对象为直流电机，可设计成开放型的系统，根据连接方式不同实现他励、并励、串励和复励不同励磁方式的切换，控制系统更加灵活方便。

二基于OBE理念的课程优化路径探讨

近些年来，将理论与实践相结合的教学方法已经被很多高校和大学生所接纳。然而，在实际教学过程中仍然存在一些问题，例如，虽然实践操作是对理论学习的验证，但是往往会出现理论学习、实践操作与社会需求所采用的方法不一样的问题，如电力拖动自动控制系统课程学习过程中，其理论学习可通过MATLAB仿真实现验证。而实践操作时，比如PI调节器的实现是通过硬件电路实现的，而PI调节器的实现，在实际应用中可以通过软件实现，而不是硬件电路。实验室的实践操作与社会需求实现不同，会给部分同学造成理解上的误区，认为学校学习与社会需求不同。因此如何搭建与课程理论学习紧密相关，且符合社会需求的教学和实践同时进行的便捷式实践操作平台是势在必行的。

虽然MATLAB与DSP实验平台可以实现半实物仿真，但是由于MATLAB软件对设备的配置要求高，因此平台的实现，关键是如何在低配置的设备如iPad上实现半实物仿真。因此，建立了基于DSP的便捷式运动控制系统操作平台如图2所示，MATLAB Mobile是实现此平台的关键，此应用可以将命令发送到MathWorks云进行运算，再把结果取回来显示。只要能上网就随时可以调用MATLAB，十分便捷。可以在课堂上进行实践操作实现电机的开环、闭环等运动控制系统，逐渐培养学习兴趣，进而增强学生的适应能力。在此过程中，教师承担的更多是指导和引导的作用，这一方式，更能够发挥学生的主观性，学生可以发现自身学习的不足，有利于培养学生的创新能力和研究性学习能力，以便更好地提高学习效果。

忽略非线性因素的影响，通过此运动控制系统平台可以看出：①图1所示四种OLDCSRS的机械特性基本一致；②当增加相同的负载时，CLDCSRS的转速降落较小，当静差率相同时，获得更宽的调速范围；③在调节器不饱和的条件下，可以线性调节DCSRS，直到调节器的输入偏差电压为零，此时转速、电流都可以实现无静差，在调节器饱和的条件下，则其输出为限幅值，转速环开环，除非输入的信号反向才可以使调节器退出饱和。总之，将实践带入课堂，可以针对课堂理论知识，进行实质性的有需求性的实验验证学习，可以提高学生的学习兴趣和成就感，提高学生运用知识的能力。

基于OBE理念构建适合大学生培养质量的评价制度，更具有指导性，可以充分体现以学生为中心、成果为导向，跟随社会发展并进行动态改进的理念。教学质量评价应该以学生为中心进行，在授课过程中，一方面，可以根据教学目标，设立评估点，依据学生的课堂表现、实践操作能力、交流能力等给出学生学习的过程评分；另一方面，可以让学生通过自评学及时反馈教学过程中的问题，教师根据评价结果，发现学生在学习过程中可能出现的问题，及时进行教学反思，进而调整和改进教学目标、内容和方法等，真正地提高教学质量。采用过程性评估的方法，一方面可以全面地反映学生的培养质量，另一方面可以激发学生学习的动力，是提高教学质量和人才培养质量的有效措施，同时也是工程教育专业认证的核心理念。

三结束语

对专业技术精益求精的工匠精神的提出，已然成为社会发展的精神动力，为满足当今社会对大学生专业技术的要求，使得教学重点向成果导向转移，强调工程应用能力。以电气工程专业电力拖动自动控制系统课程为例，提出建立便捷式运动控制系统实践操作平台的方案，将实践操作带进课堂，不仅能够做到全员参与、个性化设计，而且还可以将学习内容服务于学生的毕业论文以及未来的工作等，此方式打破了传统课堂的格局，可以实现与OBE理念的高度契合，逐步培养学生的学习兴趣，提高学生的专业能力及自主学习探索的习惯。

参考文献：

[1] 冯兴田，胡慧慧，陈荣.“电力拖动自动控制系统”工程素质教学改革[J].电气电子教学学报，2018，40（3）：47-49，114.

[2] 于焰均，朱烧秋，孙宇新.“电力拖动自动控制系统”课程的教学改革[J].电气电子教学学报，2018，40（3）：40-42，150.

[3] 张敬南，彭辉，张强.基于5E教学模式的翻转课堂教学实践[J].电气电子教学学报，2020，（2）42：13-15，55.

[4] 闫根弟，原菊梅，李娜.《电力拖动自动控制系统》适应应用转型的教学改革[J].教育教学论坛，2018（14）：126-127.

[5] 闫根弟，原菊梅，李娜.“电力拖动自动控制系统”课程教学改革[J].西部素质教育，2020，24（6）：138-139.

[6] 於锋，吴晓，吴晓新.工程教育专业认证下电力拖动自动控制系统课程教学改革[J].教育现代化，2018，（51）5：59-60.

[7] 冯兴田，胡慧慧，陈荣.卓越计划背景下《电力拖动自动控制系统》课程的改革与实践[J].中国电力教育，2017（1）：60-63.

[8] 賈渭娟，潘银松，王丽芳，等.基于互联网+雨课堂的《电力拖动自动控制系统》课程混合式教学探索[J].新教育时代电子杂志，2019（41）：169.

[9] 张巍巍，潘俊涛，张白，等.项目驱动的主动教学方法在《电力拖动自动控制系统》教学中的应用[J].教育教学论坛，2019（27）：183-184.

[10] 郭凯凯，李敬兆.新工科背景下电气工程专业课问题探索型教学方法探究[J].高教学刊，2020（6）：102-104.

[11] 彭亦稰，陈小元.专业综合性课程“学为导向”教学模式构建-以“电力拖动自动控制系统”为例[J].丽水学院学报，2018，（5）40：113-118.