岳偉挺，曹月花

（杭州電子科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州）

一 引言

伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)是以變頻技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的產(chǎn)品，是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)除了可以進行速度與轉(zhuǎn)矩控制外，還可以進行精確、快速、穩(wěn)定的位置控制，廣泛應(yīng)用于包括工業(yè)機器人、數(shù)控機床在內(nèi)的智能制造領(lǐng)域。隨著我國制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，伺服控制技術(shù)的應(yīng)用范圍正逐漸擴大，對伺服控制技術(shù)的人才需求日益增加。近年來隨著大學(xué)生科技競賽活動的推廣，以中國智能制造領(lǐng)域規(guī)模大、規(guī)格高的國家A類競賽 “西門子杯”中國智能制造挑戰(zhàn)賽為例，設(shè)置了以伺服電機應(yīng)用為基礎(chǔ)的運動控制分項賽，這從側(cè)面也反映出國內(nèi)制造領(lǐng)域?qū)λ欧刂迫瞬诺默F(xiàn)實需求。

我校作為應(yīng)用型本科高校，本科生就業(yè)主戰(zhàn)場和優(yōu)勢領(lǐng)域是浙江地區(qū)龐大的先進制造產(chǎn)業(yè)和智能控制行業(yè)。因此，基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)，以及教育部對高校產(chǎn)教融合、協(xié)同育人的教學(xué)指導(dǎo)方針，本課題在伺服電機控制技術(shù)方向進行了教學(xué)改革和探索。無論是理論教學(xué)還是實踐教學(xué)，重點符合智能制造產(chǎn)業(yè)與智能控制產(chǎn)業(yè)對人才能力的需求。把企業(yè)工程項目作為切入點，以伺服電機控制工程的項目為教學(xué)抓手，把企業(yè)的需求合理地融入到我校教學(xué)培養(yǎng)環(huán)節(jié)。本課題探索面向企業(yè)真實生產(chǎn)環(huán)境的任務(wù)式教學(xué)培養(yǎng)模式，為產(chǎn)業(yè)升級所需的應(yīng)用型、技術(shù)技能型人才培養(yǎng)提供路徑保障。

二 伺服控制方向的教學(xué)現(xiàn)狀

（一）教學(xué)內(nèi)容與課時分配不足

機電一體化伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、類型繁多，但從自動控制理論的角度來分析，伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器、被控對象、執(zhí)行環(huán)節(jié)、檢測環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)等五部分。伺服控制方向的教學(xué)內(nèi)容，通常涵蓋于電機拖動技術(shù)、電力電子、電氣技術(shù)及PLC控制等多個課程內(nèi)，沒有作為一門獨立課程列入教學(xué)計劃。因此，各高校教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)課時都是因地制宜、因校施策，根據(jù)各自的教學(xué)需求和就業(yè)需求進行安排。以《現(xiàn)代電氣控制技術(shù)及PLC原理》這門課程為例，伺服控制方向的課時為4~6課時。但是，各高校也都意識到伺服控制的教學(xué)是必要的，并有強烈的人才需求，在這個方向進行的教學(xué)改革符合產(chǎn)教融合的需要。

（二）教材缺乏

在國內(nèi)電氣控制、機電控制的傳統(tǒng)教學(xué)計劃和教學(xué)大綱中，伺服電機控制方向并不是主要教學(xué)內(nèi)容。因此在教材編著中，這一部分的內(nèi)容比較缺乏。通常作為某一個選修章節(jié)，而不是重點教學(xué)內(nèi)容。專門針對伺服控制方向的教材目前也非常缺乏，大部分高校是根據(jù)授課內(nèi)容自編講義。

（三）實驗設(shè)備亟待更新

電氣控制方向的教學(xué)設(shè)備大都停留在傳統(tǒng)的交流三相電機的控制為主，基于伺服電機控制的實驗設(shè)備和平臺比較缺乏。理論教學(xué)缺少先進的實驗平臺的支撐。需要研究和制定技術(shù)先進、經(jīng)濟實惠的實驗平臺建設(shè)方案，更新實驗設(shè)備和實踐教學(xué)手段。

三 理論教學(xué)的創(chuàng)新與實踐

針對目前國內(nèi)高校自動化與電氣專業(yè)的教學(xué)和課程現(xiàn)狀，本課題以產(chǎn)教融合為基礎(chǔ)、以校企協(xié)同育人為手段，基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，開展面向伺服驅(qū)動的現(xiàn)代電氣控制技術(shù)課程的教學(xué)改革。不僅讓學(xué)生掌握伺服控制的基礎(chǔ)理論，提高實踐技能，還要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與解決復(fù)雜工程問題的能力。為了達到這個目標(biāo)，本課題在實施過程中，與工程領(lǐng)域的專家保持溝通，研究工程領(lǐng)域?qū)ψ詣踊惾瞬诺膶嶋H需求，調(diào)整教學(xué)計劃和課程，充實理論教學(xué)和實踐教學(xué)。把伺服市場的人才供求比例、就業(yè)質(zhì)量作為教學(xué)培養(yǎng)的重要依據(jù)。我校與兆融（杭州）科技發(fā)展有限公司、杭州韋德伺服科技有限公司、北京博創(chuàng)尚和技術(shù)公司等合作，共建伺服驅(qū)動與控制實驗室，按照本科教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)共同制定了在伺服電機控制方向的課程教學(xué)大綱。

理論教學(xué)改革的內(nèi)容，重點是調(diào)整培養(yǎng)計劃和教學(xué)大綱，包括調(diào)整課程學(xué)分、課時分配、教學(xué)內(nèi)容、考核考察內(nèi)容、教材選用等。在滿足教學(xué)范圍和大綱的基礎(chǔ)上，課程內(nèi)容與培養(yǎng)重點均要向伺服電機方向傾斜。在目前的教學(xué)內(nèi)容中，培養(yǎng)計劃和教學(xué)大綱中涵蓋了伺服電機的原理與控制方法的教學(xué)，但并不作為各課程的主要部分或核心知識點。在我校目前的理論教學(xué)中，“現(xiàn)代電氣控制與PLC應(yīng)用”課程傳統(tǒng)是以三相異步電機的學(xué)習(xí)為主，包括電機啟?？刂?、正反轉(zhuǎn)控制、順序控制等。通過課程調(diào)整，開展以伺服電機驅(qū)動與控制為核心的課程群建設(shè)。把教學(xué)范圍和教學(xué)重點，拓展到以伺服電機、步進電機的控制與應(yīng)用為主，包括電機運行原理，PLC高速脈沖控制指令編程與傳感器、觸摸屏的綜合應(yīng)用等。伺服電驅(qū)系統(tǒng)是以伺服電機為執(zhí)行元件，使移動部件的位移及速度等被控量能夠跟隨輸入值變化的自動控制系統(tǒng)。伺服驅(qū)動與控制技術(shù)教學(xué)環(huán)節(jié)，任務(wù)就是講授伺服系統(tǒng)基本原理以及在工業(yè)自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用。教學(xué)改革之后的內(nèi)容如圖1所示，不僅包含多種伺服電機驅(qū)動技術(shù)的理論知識，而且集成了系統(tǒng)設(shè)計和綜合應(yīng)用等工程能力和實踐能力。

圖1 伺服驅(qū)動與控制方向的教學(xué)內(nèi)容

本課題在實施過程中，修訂了2020級與2021級本科教學(xué)培養(yǎng)計劃和教學(xué)大綱，增加了伺服控制方向的課時。在“現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用”的教學(xué)計劃中，把該環(huán)節(jié)課時從4課時理論課，增加到8課時理論課及8課時實驗課。通過增加課時和學(xué)分，首先強化學(xué)生對伺服電機的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)和應(yīng)用，其次培養(yǎng)學(xué)生熟練掌握伺服系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)和設(shè)計方法，并綜合運用控制理論、自動控制技術(shù)、機器視覺與人工智能等知識的能力，拓展工程視野。在教學(xué)內(nèi)容的調(diào)整過程中，教師通過調(diào)研、培訓(xùn)與學(xué)習(xí)、備課，更新自身的知識儲備，提高工程應(yīng)用的業(yè)務(wù)能力，順利完成課程的改革和建設(shè)。

四 實踐教學(xué)體系的探索

（一）調(diào)整實踐教學(xué)內(nèi)容

在我校實驗與實踐教學(xué)中，借助于近年的實驗室建設(shè)，目前已經(jīng)能夠完成三相異步電機的大部分驅(qū)動控制實驗。但是也存在教學(xué)重點不突出、學(xué)生特色能力不明顯的問題，實驗教學(xué)內(nèi)容不能貼合智能制造產(chǎn)業(yè)對電氣控制技術(shù)的需求。以電機控制的教學(xué)環(huán)節(jié)為例，常規(guī)的實驗內(nèi)容項目眾多，可開設(shè)的實驗項目包括PLC控制三相異步電動機變頻調(diào)速實驗；三相異步電動機啟?？刂婆c正反轉(zhuǎn)控制實驗等。通過本課題，實驗教學(xué)內(nèi)容調(diào)整為以伺服電機為目標(biāo)的實驗設(shè)備，完成以伺服電機速度控制、位移控制為核心的實驗內(nèi)容。調(diào)整考核考察方向，加大對伺服電機應(yīng)用能力的考核。2019年11月，我院機電工程系與兆融（杭州）科技發(fā)展有限公司、杭州韋德伺服科技有限公司聯(lián)合共建了伺服驅(qū)動與控制實驗室，提供了教學(xué)所需的基礎(chǔ)實驗環(huán)境和實驗設(shè)備。

（二）實行三段式實踐教學(xué)模式

在教學(xué)時間環(huán)節(jié)中，為解決伺服控制的過程復(fù)雜、綜合性強的問題，提出了三段式的實驗教學(xué)模式。把復(fù)雜工程問題分解為三個互相獨立又緊密相關(guān)的階段，即入門階段學(xué)習(xí)、提高階段學(xué)習(xí)和綜合應(yīng)用階段學(xué)習(xí)。通過分層分類教學(xué)，把不同實驗室、不同實驗內(nèi)容有機結(jié)合，逐步提高學(xué)生的實踐與應(yīng)用能力。具體過程為：學(xué)生起步階段進行單機操作和單機學(xué)習(xí)，通過單軸驅(qū)動裝置的實驗，理解伺服控制的基本方法；在提高階段，通過雙軸、三軸的驅(qū)動裝置，完成相對復(fù)雜的具體任務(wù)；在綜合應(yīng)用階段，結(jié)合工業(yè)機器人、機器視覺等設(shè)備，完成對伺服設(shè)備的綜合應(yīng)用和控制。例如第一和第二階段，可根據(jù)交流伺服電機的位置控制模式及PLC高速脈沖輸出原理，設(shè)計交流伺服電機的PLC控制綜合性實驗。實驗內(nèi)容包括設(shè)置交流伺服驅(qū)動器參數(shù)、電氣設(shè)計與連線、運用PLC的高速脈沖處理指令編制程序，以及控制電機按指定的速度運行、單軸快速定位和指定的加減速動作。通過不同層次和難度的實驗,鞏固和擴展理論知識、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、提高教學(xué)質(zhì)量。

（三）探索虛擬仿真實踐教學(xué)

在實物實驗平臺的基礎(chǔ)上，為了拓寬伺服電氣控制技術(shù)的應(yīng)用場景，本課題引入了基于虛擬仿真技術(shù)的實驗教學(xué)模式，延伸實驗教學(xué)時間和空間、提升實驗教學(xué)質(zhì)量和水平。教學(xué)改革重點在于借助虛擬仿真技術(shù)，對基于伺服電機的復(fù)雜控制工程、工業(yè)機器人控制工程進行模擬仿真，通過形象、生動、具體的情景模擬和過程響應(yīng)，動態(tài)地學(xué)習(xí)并理解電氣控制原理與程序控制。在虛擬仿真課時內(nèi)，要求學(xué)生完成控制系統(tǒng)建模、設(shè)備運動軌跡控制、控制算法和控制參數(shù)的程序設(shè)定等。虛擬仿真實訓(xùn)課程，可以與傳統(tǒng)教學(xué)模式無縫連接，學(xué)習(xí)階段和考核評價都有機結(jié)合。課程評價指標(biāo)內(nèi)容豐富，由淺入深，難度有不同等級，可以實現(xiàn)分層分類的教學(xué)和考核。該評價體系適合于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的目標(biāo)和定位。

虛擬仿真克服了傳統(tǒng)教學(xué)的瓶頸，不受實驗設(shè)備數(shù)量和操作風(fēng)險的影響；同時傳統(tǒng)的實物型實訓(xùn)，可以對虛擬仿真的學(xué)習(xí)效果進行驗證。復(fù)雜的、有一定難度的傳統(tǒng)教學(xué)階段，可以在虛擬仿真環(huán)境中完成；到達一定熟練程度之后，再結(jié)合實物實訓(xùn)來完成。此外，對具體的工程實際案例，也可在仿真平臺上實施模型搭建，實現(xiàn)由伺服電機與工業(yè)機器人等組成的虛擬場景功能。

采用虛擬仿真技術(shù)的離線編程與操作，采用直觀的用戶界面，便于搭建工作環(huán)境，創(chuàng)建坐標(biāo)系，設(shè)定機器人與電氣設(shè)備的運動軌跡與目標(biāo)。為多種工業(yè)設(shè)備應(yīng)用預(yù)習(xí)設(shè)定進行離線編程。虛擬軟件的模型庫包含多個品牌的機器人、PLC控制器、伺服電機等設(shè)備。虛擬仿真將電腦上的3D模型與實物緊密地結(jié)合在一起，實現(xiàn)核心教學(xué)要素的仿真，使教學(xué)和知識傳播從二維走向了三維。

五 重視工程應(yīng)用能力培養(yǎng)

為提高學(xué)生工程應(yīng)用與實踐能力，采用了項目驅(qū)動、以賽促學(xué)的培養(yǎng)模式。在本教學(xué)改革中，工程能力就是伺服系統(tǒng)設(shè)計集成（即設(shè)計選型、接口設(shè)計、軟件設(shè)計等） 與現(xiàn)場調(diào)試的實踐能力。伺服運動控制技術(shù)課程理論性、實踐性、綜合性均較強，主要面向自動化技術(shù)領(lǐng)域培養(yǎng)具有伺服系統(tǒng)維護、設(shè)計與開發(fā)能力的高級應(yīng)用型技術(shù)人才。課程教學(xué)內(nèi)容不僅包括基本控制理論及應(yīng)用，更強調(diào)伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。目前，該課程群理論教學(xué)主要是講授包括伺服電機在內(nèi)的各種電機控制與驅(qū)動原理，課程理論強、數(shù)學(xué)邏輯復(fù)雜，教學(xué)重理論輕實踐。市場和企業(yè)對具有伺服驅(qū)動工程能力的畢業(yè)生需求很大，這就迫切要求對課程教學(xué)方向和教學(xué)方法進行改革，培養(yǎng)學(xué)生實踐能力與工程能力，以適應(yīng)企業(yè)的要求。

在本課題實施中，選擇了適合不同層次、不同能力的項目案例作為工程應(yīng)用能力訓(xùn)練項目，以通過項目驅(qū)動學(xué)習(xí)進程，以完成具體任務(wù)為本階段目標(biāo)。在工程案例選擇上，結(jié)合我校本科生長期以來的就業(yè)擇業(yè)優(yōu)勢領(lǐng)域，主要面向智能制造與智能控制的相關(guān)典型運動過程的伺服系統(tǒng)設(shè)計，如“機床加工專用設(shè)備伺服系統(tǒng)設(shè)計”“機器人關(guān)節(jié)臂伺服系統(tǒng)設(shè)計”“基于機器視覺的伺服系統(tǒng)設(shè)計”等。項目特點要小而精，學(xué)生利用開放實驗室、學(xué)生工作室，以及實驗課進行完成，并計入課程成績考核。難度稍高的項目被安排在課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計以及大學(xué)生科技競賽中完成，另行考核。在系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)時，強調(diào)單片機、可編程邏輯控制器、機器視覺系統(tǒng)等多種控制系統(tǒng)在伺服系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用。

為了在實踐教學(xué)層面上探索產(chǎn)教融合的途徑，開展了學(xué)賽結(jié)合、以賽促學(xué)的模式。為拓展和延續(xù)伺服控制方向的學(xué)習(xí)，在校內(nèi)組織成立了面向伺服控制的學(xué)習(xí)協(xié)會和競賽隊伍，并聘請產(chǎn)業(yè)公司的技術(shù)人員不定期進行實踐教學(xué)指導(dǎo)。近兩年組織指導(dǎo)學(xué)生參加了多項大學(xué)生科技競賽。例如第14屆、第15屆“西門子杯”智能制造挑戰(zhàn)賽 （教育部A類賽事），共有6名同學(xué)獲得省賽獎勵（1等獎1名，2等獎2名，3等獎3名），2名同學(xué)獲得了國賽獎勵（特等獎1名，二等獎1名）。通過學(xué)與賽的結(jié)合，讓學(xué)生學(xué)會綜合運用已學(xué)習(xí)的電氣控制專業(yè)知識，并引領(lǐng)學(xué)生組成伺服控制系統(tǒng)來解決智能制造領(lǐng)域中的電氣化、數(shù)字化、智能化問題，進一步提升學(xué)生的復(fù)雜工程應(yīng)用能力。

六 結(jié)語

基于產(chǎn)教融合的培養(yǎng)方向，以培養(yǎng)應(yīng)用型電氣工程師為具體目標(biāo)，開展了現(xiàn)代電氣控制技術(shù)教學(xué)改革和實踐。通過我國智能制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級所急需的伺服控制技術(shù)人才為培養(yǎng)目標(biāo)，開展了理論教學(xué)和實踐教學(xué)的改革，有效地幫助學(xué)生建立和提升工程意識。在現(xiàn)代電氣控制技術(shù)課程改革中，通過深化伺服電機控制的理論教學(xué)、開展層次豐富、遞進式的分層分類實驗教學(xué)，以及以賽促學(xué)、產(chǎn)教融合的實踐能力培養(yǎng)，從三個層面培養(yǎng)和提高學(xué)生在伺服控制領(lǐng)域的自主學(xué)習(xí)、分析問題、解決問題的能力，獲得良好的教學(xué)效果。實現(xiàn)了電氣控制技術(shù)教學(xué)服務(wù)于智能制造領(lǐng)域，為我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)提供有力的人才和技術(shù)支撐，也體現(xiàn)了電氣控制技術(shù)課程的作用與特色。這個教學(xué)目標(biāo)和模式，未來可進一步推廣到其他課程，全面提升電氣自動化教學(xué)與我國產(chǎn)業(yè)需求的融合程度。