虚实结合的运动控制系统课程教学探索与实践

罗萍 吕霞付 李敏

【摘要】针对运动控制系统涉及内容知识点多，综合性和实践性强的特点，引入虚实结合的授课方法，在理论教学中和实践教学前引入虚拟仿真教学，实践教学中实际动手调试，同时鼓励小作品制作，极大激发学生积极性，提升了教学质量，提高了学生能力。

【关键词】运动控制 虚实结合 积极性 电机

【基金项目】重庆市2014年高等学校教学改革项目（143003）。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）06-0220-01

运动控制系统（Motion Control System）也可称作电力拖动控制系统（Control Systems of Electric Drive），其任务是通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的控制，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要[1]。

1.运动控制系统课程教学中的难点

首先，运动控制系统是电气工程的一门主干课程，已成为电机学、电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术、控制理论、信号检测与处理技术等多门学科相互交叉的综合性学科[1]。课程要求学生全面掌握课程相关专业知识，具有一定的综合应用专业知识能力。因此，在教学中如何系统地、合理地贯穿相关知识点，深入浅出，让学生不产生畏难心里，激发学生兴趣，是教学中的第一个難点。

其次，运动控制系统不仅涉及多门学科，理论性强，而且工程性和实践性强，如何使得课程的讲解不太枯燥，既要结合课程进行相关控制的推导，例如单闭环比例、积分、比例积分转速负反馈直流调速控制系统，其稳态误差可以通过板书来进行，同时也可以结合多媒体来进行讲解，但是，如何在有限的时间内既强化理论知识学习，同时强化动手能力和工程能力的提高，则是运动控制系统课程教学中的第二个难点。

最后，随着科技的发展，包括自动控制理论、电力电子等的发展，运动控制系统课程的内容也在不断地更新，因此授课中紧密结合科技发展、合理调整运动控制系统教学内容，则是课程教学中的第三个难点。

2.虚拟仿真软件介绍

MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB下的SIMULINK软件进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过SIMULINK环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。

3.虚实结合改革课堂教学方法

首先，在理论讲课中利用MATALAB进行辅助教学，例如，运动控制中涉及到的多门学科问题，可以在讲解过程中利用MATALAB软件进行巩固学习。对于涉及到的电机学知识，可以利用仿真软件搭建其数学模型，将Simulink与S-function有机结合搭建电动机的仿真平台，并图形化的显示其运行特性，帮助学生理解运动控制系统中的被控对象；对于涉及到的电力电子技术知识，可以利用软件中的Power System工具箱查找电源、元件、电力电子、电机系统、连接器、测量、演示等模块组，进行搭建，尤其是对于直流可调电源，逆变等，有必要利用仿真软件进行仿真和分析，了解不同的电路结构，器件特性，以及不同的参数对输出性能的影响，例如直流可调电源中单相半波、三相零式和三相桥式全控整流电路，不同结构下最大延迟时间的分析和比较，以及PWM斩波电路在不同开关频率下的最大延迟时间比较与分析。对于控制理论，可以利用仿真软件方便的构建对象数学模型，控制器的传递函数等，改变参数并获得输出特性。MATLAB /Simu link仿真软件运用到《运动控制系统》教学中， 克服了传统教学中讲解内容抽象、手画图形不准确和不直观、教学内容难以扩展等方面的不足[2-3]。

其次，将传统实验与虚拟实验结合，将理论教学与实践教学相结合，在实践课程讲授前下达任务，同时也可于理论课程提前布置仿真作业，鼓励学生进行仿真、讲解和讨论。由于运动控制系统是一工程性和实践性很强的课程，实验实践环节是培养学生综合能力的重要环节，因此实际设计、调试、完善及问题处理非常重要。例如，异步电动机的矢量控制一直以来是学生非常难以理解的知识点， 可以采用Mtalab/Simulink进行仿真，掌握异步电动机工作原理、建模方法，了解磁链控制原理和方法，并进行控制、仿真和分析。通过虚拟实验环境建立仿真电路模型， 让枯燥的电路、 复杂的波形变得富有趣味；合理调整授课内容，通过对系统进行仿真，演示复杂系统各参量的调节过程， 从而极大调动学生的实验积极性和和探究欲望。在此基础上，再进入实验室，在实验台上进行真实环境下的实验、测试、控制等，让学生实验前、实验中都清楚实验方法和理论知识点，当实验中出现异常时，或结果和数据出现问题时，能通过分析进行解决和判断，从而使学生更加深入提高动手能力和知识综合运用的能力。

最后，鼓励学生进行各种运动控制的小制作，并进行评比，从而激励学生的主动性和创新积极性。在教学中，可以给与适当平时成绩加分鼓励，经过实际授课和实施，同学们普遍积极性较高，能够以组建比赛小组，完成直流电机、步进电机等的控制器的小制作，使枯燥的理论讲授变得生动有趣。

4.总结

通过引入虚实结合的授课方法，在运动控制系统理论教学中引入虚拟仿真教学，帮助学生理解知识点，并在实践教学中强化实际动手能力，同时鼓励学生小作品制作，极大激发学生积极性，提升了教学质量，提高了学生能力。

参考文献：

[1]阮毅，陈伯时. 电力拖动自动控制系统运动控制系统第4版[M].机械工业出，2010.1.

[2]沈艳霞， 赵芝璞， 纪志成. Matlab /Smiulink在运动控制系统教学中的应用[J]. 贵州大学学报（自然科学版）， 2005，22（2）：435-437.

[3]张乐平.对比、图解方法在电机及电力拖动基础课程教学中的应用[J].通化师范学院学报，2009，30（4）：98-100.