陳 霞，張開如

(山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島266590)

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”是自動(dòng)化專業(yè)的主干課程。該課程與其它專業(yè)課相比，具有以下特點(diǎn):①涉及的知識(shí)點(diǎn)多、知識(shí)面廣，內(nèi)容涉及“自動(dòng)控制原理”、“電機(jī)與拖動(dòng)”、“電力電子技術(shù)”等專業(yè)課程;②系統(tǒng)性、實(shí)用性強(qiáng)，是一門強(qiáng)弱電結(jié)合、電力與電子技術(shù)結(jié)合、軟件與硬件結(jié)合、元件與系統(tǒng)結(jié)合的專業(yè)課程;③通用性強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)所研究的內(nèi)容是過程控制系統(tǒng)和機(jī)器人控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，具有通用性。該課程是自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)難度比較大的一門課程。

鑒于上述特點(diǎn)，為達(dá)到本課程教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)，需協(xié)調(diào)好理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)以及與多學(xué)科的融合關(guān)系，這對(duì)學(xué)生和教師都提出了較高的要求，筆者根據(jù)多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，就“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)談幾點(diǎn)體會(huì)。

1 整合教學(xué)內(nèi)容，注重課程融合

整合教學(xué)內(nèi)容的目的就是強(qiáng)調(diào)“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程本身的系統(tǒng)性和教學(xué)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)延續(xù)性[1]。由于“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程涉及的知識(shí)點(diǎn)多、知識(shí)面廣，和前續(xù)多門課程相關(guān)聯(lián)，在課堂教學(xué)中，教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，對(duì)涉及的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要的穿插回顧，以使教學(xué)內(nèi)容無(wú)縫連接，使學(xué)生將學(xué)過的知識(shí)和所研究的運(yùn)動(dòng)控制有機(jī)地融合在一起。

作為一個(gè)實(shí)例，教師在開始講授閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)，可以把以前與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的專業(yè)知識(shí)與它融合到一起，可突出兩部分:

(1)能量變換裝置:由于實(shí)現(xiàn)電氣能量形態(tài)變換的電力電子變換裝置已經(jīng)在專業(yè)基礎(chǔ)課“電力電子技術(shù)”中講過，所以本課程僅簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)所要用到的有關(guān)內(nèi)容，把兩門課程融合起來(lái)即可[2];

(2)負(fù)載拖動(dòng):在單閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過程中，可將專業(yè)基礎(chǔ)課“電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)”中有關(guān)拖動(dòng)的知識(shí)點(diǎn)提出，并重點(diǎn)講解它與單閉環(huán)控制系統(tǒng)的聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上通過對(duì)工程實(shí)際運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的剖析，研究基本的控制規(guī)律和實(shí)現(xiàn)的原理，用系統(tǒng)的觀點(diǎn)去講授教學(xué)內(nèi)容，循序漸進(jìn)地由簡(jiǎn)單系統(tǒng)向復(fù)雜系統(tǒng)過渡，讓學(xué)生在理解基本原理的基礎(chǔ)上，建立基本控制系統(tǒng)分析與綜合的概念和方法，使學(xué)生在完成本課程的學(xué)習(xí)后，具有基本的控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)能力和初步的研發(fā)能力。

2 理論聯(lián)系實(shí)際，內(nèi)容循序漸進(jìn)

課程教學(xué)過程中，注意理論聯(lián)系實(shí)際，可以引入日常生活所接觸到的拖動(dòng)系統(tǒng)，如空氣壓縮機(jī)、提升機(jī)、恒壓供水和龍門刨等作為例子，通過分析這些拖動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，將課本上的知識(shí)與現(xiàn)實(shí)中的例子進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，給學(xué)生建立起明確的目標(biāo)和控制對(duì)象，使學(xué)生擺脫純理論學(xué)習(xí)帶來(lái)的枯燥無(wú)味感覺，學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣就會(huì)提高起來(lái)。

教學(xué)內(nèi)容要循序漸進(jìn)。在講授新的問題之前，對(duì)已學(xué)內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)總結(jié)，分析其優(yōu)點(diǎn)和不足之處，引出解決問題的可能途徑，為新的內(nèi)容講授埋下伏筆。例如:在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的教學(xué)過程中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)速有多種方案，若只是把這些方案逐一灌輸給學(xué)生，學(xué)生很難全面掌握，這就需要教師精心安排教學(xué)內(nèi)容，在原始系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，始終以電動(dòng)機(jī)調(diào)速為主線，通過提出問題、應(yīng)用已學(xué)相關(guān)課程的理論分析問題、然后解決問題的方式，堅(jiān)持循序漸進(jìn)、由簡(jiǎn)到繁地引入新的方案，就能化解學(xué)生的畏難情緒，使相關(guān)內(nèi)容變得易于理解和掌握。

3 改進(jìn)教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

3.1 抓住主線，突出重點(diǎn)

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”是一門理論聯(lián)系實(shí)際很強(qiáng)的課程。從基礎(chǔ)理論上看，它綜合了多門已修課程的內(nèi)容，從實(shí)際應(yīng)用方面看，它又是應(yīng)用極為廣泛的實(shí)際系統(tǒng)。這就要求在講授時(shí)應(yīng)沿著一條主線，圍繞這條主線講清楚重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容。

直流調(diào)速部分教學(xué)主要以閉環(huán)控制系統(tǒng)為主線。主線設(shè)計(jì)可分以下幾步:①利用“電機(jī)與拖動(dòng)”課程中講述的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性、速度控制原理與方法，引出相應(yīng)的調(diào)速方案[3];②利用自動(dòng)控制原理所學(xué)內(nèi)容，建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的調(diào)節(jié)器參數(shù);③利用自動(dòng)控制原理的知識(shí)，計(jì)算其靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，并在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行校正;④利用仿真軟件根據(jù)校正前后的參數(shù)模擬對(duì)比運(yùn)行，觀察對(duì)比結(jié)果，印證所學(xué)理論知識(shí)。

交流調(diào)速部分的教學(xué)主要以變頻為主線。為什么要以變頻為主線呢?在學(xué)習(xí)已修課程“電機(jī)與電力拖動(dòng)”時(shí)，電動(dòng)機(jī)的基本特性方程是在工頻交流電、氣隙磁通不變的情況下得到的。而在交流調(diào)速中推導(dǎo)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性時(shí)，除要考慮交流電的頻率變化外，還要考慮恒定子磁通、恒氣隙磁通和恒轉(zhuǎn)子磁通等情況。如何考慮這些元素呢?一般的教材很少給予交代，在后續(xù)課程才會(huì)講授相關(guān)的內(nèi)容，就造成教學(xué)內(nèi)容的不連貫。此時(shí)用變頻調(diào)速把此處貫穿起來(lái)，就形成了一條非常清晰的主線，從原理上講可以得到變頻調(diào)速的幾種類型，即恒壓頻比控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量變換控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等[4]。

3.2 數(shù)學(xué)推導(dǎo)與物理概念有機(jī)結(jié)合

由于變頻調(diào)速技術(shù)的飛速發(fā)展，利用數(shù)學(xué)變換來(lái)實(shí)現(xiàn)某些控制策略已是必不可少的內(nèi)容，教學(xué)中若處理不好數(shù)學(xué)變換過程的講解，就會(huì)將課程內(nèi)容變成枯燥的純數(shù)學(xué)推導(dǎo)，會(huì)使學(xué)生對(duì)理論推導(dǎo)內(nèi)容與變頻調(diào)速之間的關(guān)系混淆不清，因此必須將數(shù)學(xué)推導(dǎo)與相應(yīng)的物理概念有機(jī)結(jié)合，使數(shù)學(xué)推導(dǎo)由物理概念來(lái)支撐，給原理性物理概念找到數(shù)學(xué)理論依據(jù)，這樣學(xué)習(xí)起來(lái)就會(huì)目的明確、概念清晰，使學(xué)生有興趣去研究數(shù)學(xué)變換。

下面以交流調(diào)速部分學(xué)生反映難于理解的矢量變換變頻調(diào)速為例，來(lái)說明數(shù)學(xué)推導(dǎo)與相應(yīng)的物理概念如何結(jié)合。在矢量變換變頻調(diào)速部分，提出坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)變換概念，有兩個(gè)問題必須解決[4]:

(1)坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)變換的物理概念和變換方法，應(yīng)從三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理入手。三相異步電動(dòng)機(jī)接入三相交流電后，會(huì)在定轉(zhuǎn)子氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，切割閉合的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流，而載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)受到力的作用，這樣就會(huì)使得轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)。如果把三相定子繞組所在的軸線分別定義為A、B、C軸，由于定子繞組是不動(dòng)的，稱這種坐標(biāo)系為三相靜止坐標(biāo)系，這樣就引出了三相靜止坐標(biāo)系的概念。

(2)變換應(yīng)遵循什么樣的條件，應(yīng)以產(chǎn)生等效的磁動(dòng)勢(shì)為前提，只要其大小和旋轉(zhuǎn)的速度一樣，對(duì)同一個(gè)轉(zhuǎn)子而言，其結(jié)果就是一樣的，這就是變換條件。此處可分幾步講解:①首先考慮兩相交流電動(dòng)機(jī)，在兩相定子繞組中通以相位互差90度的正弦交流電，這樣將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，如果大小和轉(zhuǎn)速與通以三相交流電時(shí)一樣，其結(jié)果就是一樣的。這樣就將三相交流電動(dòng)機(jī)變換為兩相交流電動(dòng)機(jī)工作，坐標(biāo)為互相垂直的直角坐標(biāo)系，由于此時(shí)定子繞組是不動(dòng)的，稱這種坐標(biāo)系為兩相靜止坐標(biāo)系;②其次考慮將兩相交流電動(dòng)機(jī)的繞組通以直流，使它產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)與通以交流電時(shí)一樣，其結(jié)果是由于磁動(dòng)勢(shì)不旋轉(zhuǎn)，對(duì)轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生任何力，轉(zhuǎn)子不可能轉(zhuǎn)起來(lái)。設(shè)想用外力拖動(dòng)使這個(gè)坐標(biāo)系以上述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，對(duì)同一個(gè)轉(zhuǎn)子而言，其結(jié)果是一樣的，但此時(shí)的坐標(biāo)系是旋轉(zhuǎn)的，繞組通的是直流電，因此把此坐標(biāo)系稱為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。如果此時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)大小和速度與前面所講的一樣，對(duì)同一個(gè)轉(zhuǎn)子來(lái)說其效果是一樣的，這就從原理上說明了，盡管坐標(biāo)系不一樣，但結(jié)果是相同的。假定人站在旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系上，人相對(duì)于坐標(biāo)系而言，此坐標(biāo)系正是直流電動(dòng)機(jī)的等效坐標(biāo)，這樣就把交流電動(dòng)機(jī)最終等效為直流電動(dòng)機(jī)的模型，交流電動(dòng)機(jī)控制就可以應(yīng)用直流電動(dòng)機(jī)的控制方法實(shí)現(xiàn)。

4 增加創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，注重課程設(shè)計(jì)

4.1 驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”的實(shí)驗(yàn)課程主要是驗(yàn)證性的，其實(shí)驗(yàn)步驟為原理講解、電路連接和過程調(diào)試等。在這一過程中，為盡量避免讓學(xué)生“依葫蘆畫瓢”式操作，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生用工程思維來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，不要只注意驗(yàn)證結(jié)果，要研究實(shí)驗(yàn)對(duì)象的特性，有什么樣的功能，能為什么地方服務(wù)。例如:測(cè)試調(diào)速系統(tǒng)各單元部件的特性、功能及參數(shù)，其主要作用是為運(yùn)用工程方法設(shè)計(jì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)的控制器參數(shù)做鋪墊。

對(duì)于其創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，主要是運(yùn)用已測(cè)得的系統(tǒng)參數(shù)及各種調(diào)速方法，對(duì)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制器進(jìn)行理論設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)調(diào)試，從而滿足系統(tǒng)要求的性能指標(biāo)，這就要求學(xué)生以完成課題的方式完成實(shí)驗(yàn):①首先學(xué)生要在教師的指導(dǎo)下提出設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)主電路;②確定調(diào)速方案;③建立控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型;④依工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器參數(shù);⑤利用仿真軟件設(shè)計(jì)模擬系統(tǒng)，觀察設(shè)計(jì)效果是否能滿足性能指標(biāo)要求，根據(jù)結(jié)果修正設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器參數(shù);⑥最后進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行硬件調(diào)試。一個(gè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)可以涵蓋多門課程的知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生在實(shí)踐中把它們有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，融會(huì)貫通，加深了對(duì)“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”相關(guān)理論知識(shí)的認(rèn)識(shí)、理解與應(yīng)用。

4.2 課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程設(shè)計(jì)是為了使學(xué)生更好地掌握理論教學(xué)內(nèi)容而進(jìn)行的，它將以前所學(xué)的多門課程知識(shí)整合在一起，開發(fā)出一個(gè)實(shí)際的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)里既有硬件電路設(shè)計(jì)，又有軟件設(shè)計(jì)，將運(yùn)動(dòng)控制課程群的核心課程所傳授的知識(shí)無(wú)縫銜接，提高學(xué)生分析、解決問題的能力。通過研究這樣一個(gè)綜合性的應(yīng)用系統(tǒng)，學(xué)生畢業(yè)后基本可以勝任企業(yè)的研發(fā)工作。

4.3 計(jì)算機(jī)輔助分析軟件的應(yīng)用

由于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中有許多復(fù)雜、抽象的電動(dòng)機(jī)控制算法，如果讓學(xué)生借助于計(jì)算機(jī)分析、研究這些算法，能提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，因此在教學(xué)過程中教師要重視普及計(jì)算機(jī)輔助分析軟件的應(yīng)用，加深學(xué)生對(duì)基本理論和應(yīng)用系統(tǒng)的理解。

這個(gè)問題的難點(diǎn)是只有部分學(xué)生具備靈活使用這些工具的能力，對(duì)此可采用多步走的方式:①根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，結(jié)合理論課內(nèi)容，首先讓學(xué)生完成驗(yàn)證性的簡(jiǎn)單應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容;②將這些簡(jiǎn)單應(yīng)用系統(tǒng)作為任務(wù)布置給學(xué)生，讓學(xué)生嘗試著采用仿真軟件完成，例如:讓學(xué)生利用Matlab軟件完成單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真;③在學(xué)會(huì)熟練使用仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，完成復(fù)雜系統(tǒng)的仿真，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。通過對(duì)仿真結(jié)果的比較，找到參數(shù)與結(jié)果之間的內(nèi)在關(guān)系，為學(xué)生實(shí)際調(diào)試時(shí)調(diào)整方向提供依據(jù);④在此基礎(chǔ)上鼓勵(lì)學(xué)生完成實(shí)際復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)的電路制作、焊接和調(diào)試。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”教學(xué)的不斷探索，合理安排課堂的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在教學(xué)過程中注意教學(xué)方法與技巧的改革，提高了“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)質(zhì)量，使原本較難學(xué)習(xí)的“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程易于理解，容易掌握，收到了較好的教學(xué)效果。

[1]鮑建宇，劉毅華，崔家林.運(yùn)動(dòng)控制課程群的實(shí)踐教學(xué)改革研究[J].合肥市合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2010，(1)

[2]程瓊，鄭建勇，廖冬初.“電力電子技術(shù)”課程改革新探討[J].南京 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，(2)

[3]張昌華，陳勇，黃琦.“電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)”課程實(shí)施研究型教學(xué)改革的探討與實(shí)踐[J].北京中國(guó)電力教育，2009，(129)

[4]陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.1.全部英文改為