“运动控制系统”课程教学研究与实践

李旭超 边素轩 刘燕

摘 要：深入分析运动控制系统课程的特点及其在当前教学过程中存在的问题，结合实际教学经验，从理论教学内容和实验教学模式两方面对教学进行研究，并付诸于教学实践，提高课程的教学效果。

关键词：运动控制系统；理论与实践；教学研究

中图分类号：TM921 文献标识码：A

1 引言（Introduction）

随着自动控制技术的飞速发展，我国高等教育大众化呈加速发展态势，为适应信息时代市场经济的需求，促进国民经济的发展，培养既懂理论又有实践经验的人才，已成为高校自动化专业教学改革的必由之路。运动控制系统是高等院校自动化专业的一门核心专业课，具有很强的理论性与实践性。其具有以下几个特点：（1）专业性。课程的理论性较强，涉及的控制策略种类众多，随着微电子的发展和实际应用的需要，催生新的控制策略不断涌现，而且有些控制策略具有划时代的意义。如矢量控制的出现结束了直流调速系统一统天下的局面，最终将被交流调速系统所取代。因此自动化专业的学生需掌握控制策略的精髓，做到融会贯通，举一反三。（2）实用性。运动控制系统触及到工业的各个领域，是社会发展的助推剂，是自动化专业本科生步入实际工程应用的向导和桥梁。（3）综合性。它以自动控制原理、电力电子变流技术、电机与拖动、模拟电子技术、单片机原理与程序设计等专业基础课为基础，以高等数学、复变函数、积分变换和线性代数等工程数学为工具，以工程应用为背景，发展起来的一门综合专业课，是自动化专业几乎所有课程的综合运用和升华。（4）实时性。由于专业基础课的飞速发展和控制策略日新月异，促使运动控制系统必须与时俱进，适应新形势工业的需求。

因此，既要使课程的内容跟随时代的发展，又要完成教学规定的授课内容，使学生充分理解课程体系，对于教、学此门课程具有一定难度和挑战。

2 教学中发现的问题（Meeting problem in teaching）

在教学过程中，教师感觉到教材理论内容多、课时紧、控制策略陈旧，实践内容落后、设备不能与时俱进；学生感觉到理论内容庞杂、控制策略很难理解、与实际应用严重脱节，实践内容枯燥、操作单一、不能加深对理论知识的理解。具体表现在以下几方面：（1）教学课时不足。本门课程包含交、直流运动控制系统两部分，既要讲解基本原理和方法，又要理论联系实际，强调工程实践，做到学以致用，在有限的48学时内难以完成。（2）教材的通用性。目前，运用的教材主要讲解交、直流运动控制系统的基本原理，没有将理论知识与应用对象有机地结合在一起，缺乏工程应用的意识，导致理论教学与实际应用相脱节。而且教材的内容缺乏时代信息，不能体现新的控制策略在实际工程中的应用。（3）理论内容多、杂、难懂。由于新的控制策略不断涌现，应用对象千变万化，导致内容急剧增加；新的控制策略是已有控制策略的变革或改进，在讲解时必须介绍其产生的相关理论基础，学生感到内容庞杂，学习无从下手；新的控制策略建立的基础是工程数学在控制理论中的深入应用，必须面对复杂的数学推导，学生搞不清是在学数学还是在学控制理论，从而感觉到抽象难懂。（4）学生参差不齐。随着高校的扩招，我国的高等教育已进入到大众化教育阶段，学生的学习素质较精英教育具有一定的差距，而运动控制系统理论飞速发展，课程的难度逐渐加深，同时与所学的专业基础课和工程数学课密切相关，课程跨度大，因此对于那些基础较差和某些环节较弱的学生来说很难掌握授课内容。此外，由于教改的原因，学时的相对减少，加剧学生难以驾驭课程的局面。（5）动手能力的欠缺。尽管学校对学生的实践比较重视，对实践教学内容进行相应地调整，但把理论知识与控制对象有机地融合在一起做成实际装置，学生就感觉到无从下手，特别是对运动控制策略程序的编写，学生望而生畏，从而制约学生对基本运动控制原理的深入理解。（6）实验装置的单一性。目前，运动控制系统实验装置主要是验证性试验，学生只需按操作手册的流程进行连线，在器件完好的条件下，就能得到正确的结果，学生很难深究装置是如何与理论知识有机地结合。由于实验装置固定，导致实验内容固定、陈旧，没有新意，不能与时俱进。新控制策略往往建立在微处理器的基础上，如矢量控制算法芯片，已有设备不能满足矢量控制策略的需要，制约学生对控制策略的深入理解，抹杀学生分析与解决矢量控制策略的应用。

针对上述问题，结合几年来的教学经验，对运动控制系统课程理论教学内容和实验教学模式等方面进行研究并付诸于实践，取得较好的教学效果。

3 理论教学方面研究（Research of theory teaching）

3.1 合理选用教材和安排教学内容

运动控制系统课程主要由直、交流控制系统两部分组成，根据教学大纲，我院理论课教学为32学时，要求教师在有限的学时内既要将知识传授给学生，又要考虑学生的实际情况。在授课前，教师首先要明确教学要求，同时要结合最新的技术，更新教学内容。根据大纲，选用一本囊括运动控制系统两部分内容的教材作为参考书，但有些内容没有展开；两本与主教材具有知识互补的教材作为辅助参考书，主要是完善和展开主教材某些内容；参考国内、外运动控制系统相关技术论文，对某些控制策略进行深入讲解，利用网络资源捕捉新控制策略在实际工程中的应用；结合教师的实际工程，对上述资料进行融合，突出重点，整理出授课讲义，消除已有教材的通用性问题。在内容安排上，为克服内容多学时少的矛盾，我们将基本概念和基本原理穿插到实际工程的案例中进行讲解，不单独讲解理论及基本概念。如直流运动控制系统的最终目的是引出位置、转速和电流三环控制系统，我们选择大学生电子大赛自动驾驶小车作为案例。首先介绍小车内环对电流的要求，然后过渡到小车对速度的要求，最后引出小车对位置的要求，将单环、双环和三环控制环节有机地组合在一起，让学生对直流调速系统进行整体认识。在讲解三个环节的过程中，先讲电流内环，内容包括小车对电源的要求，引出电源的基本控制方式及数学模型，然后建立控制对象小车的数学模型，根据小车对电流的要求给出采用闭环控制的理论依据，为满足小车对电流的要求引出PID控制策略。在涉及到每一个知识点时进行展开讲解，如PID控制器的模拟数学模型和离散数学模型，及PID控制器的变种和参数整定等，在模拟控制器的基础上引出数字控制器工程设计方法，最后结合小车案例完成对电流内环PID控制器设计，然后再讲解转速环和位置环设计，注意内环与外环的联系和区别，案例讲完了，直流调速系统部分也就结束了。在讲解交流调速系统时，紧紧围绕转差率的概念，分为转差功率消耗型和回馈型异步电动调速系统，以及转差功率恒定型异步、同步电动机变压变频调速系统[1]。对于转差功率消耗型调速系统，由于已在电机与拖动课程讲过，我们在大纲中砍掉此部分内容。对于转差功率恒定型调速系统，两者的共性是都需要变压变频，因此对PWM技术和电压矢量空间控制技术首先进行重点介绍，这部分是交流调速系统的核心内容。然后根据个性的不同，分别介绍异步和同步电动机数学模型。对于转差率恒定型调速系统，我们创新实验室建立一个基于DSP转差率恒定型调速系统应用平台，根据应用对象不同，使用不同插件，对动态不同模型，通过软件进行调节。这样学生就能将异步、同步电动机调速系统的思路整合到一起，不至于感觉到知识庞杂。而且是用软件将矢量控制算法的实现与应用对象有机地结合，加深学生对矢量控制和同步、异步电动机数学模型的理解。对于转差功率回馈型调速系统，为跟随时代的发展，我们结合双馈型风力发电技术和Mita公司的控制器进行讲解，让学生感到学习的紧迫感和使命感。

3.2 课堂设立疑问，激发学生的兴趣

在课堂上，由于理论讲解比较枯燥，同时又涉及许多令人头疼的数学推导，很多学生听课抓不住重点，可能逐渐失去兴趣，因此教师在讲解的过程中要适当设立疑问，激发学生的兴趣，带着问题和思考去听课，充分发挥学生的主观能动性，这样将收到事半功倍的效果。如在讲解转速、电流双环反馈运动控制系统时[2]，提问学生电流单环反馈环节可以简化成一个对象吗？提示学生，在自动控制原理中，能把多个方框图表示的反馈系统化简成一个方框图吗？电流内环闭环反馈控制系统是为了维持电流稳定，那么要维持速度稳定，应采取怎样的控制方法呢？电流反馈环节如果能简化成一个控制对象，那么从广义上来说，转速、电流双闭环控制系统也可以看成单闭环系统，使学生认识到双闭环系统是单闭环系统的扩充，那么学生对三环控制系统的理解就变得非常容易，学生掌握多环运动控制系统就会得心应手。

3.3 增强课程间的联系

注意课程间的横向联系。一个完整的运动控制系统由许多环节组成，为描述每一个环节，必须建立数学模型，因此可以将自动控制原理建立数学模型方法融入到运动控制系统建模中。如控制对象为电机，在建模前，先回顾电机学和电路基本知识，然后讲解电机数学模型建立方法；对于整流环节建模，回顾电力电子变流技术。在讲解运动控制系统实现时，让学生回顾单片机、DSP和ARM处理器的优缺点，哪些微处理器带有PWM波形发生器。通过相关课程交叉回顾，激活各门课程间的联系，将所学课程有机地结合在一起，使学生理顺运动控制系统与相关课程的关系。学生根据课程的内容，意识到本身知识的欠缺和不足，带着问题，主动学习相关课程和查询资料，这个过程是各门课程升华最快的阶段，是学生能力提高的关键，也是学生实践的前奏。

注意课程的纵向联系。做好已学章节向新知识点的过渡与衔接，采用回顾—引申—正题的方法。例如，模拟运动控制向数字运动控制过渡中，先回顾模拟运动控制的基本构成环节，特别是由运算放大器、电阻和电容构成的转速调节器与电流调节器，然后启发学生如何编写程序实现上述算法。若电流调节器与转速调节器都采用PI校正装置，可以编写一个子程序，学生带着问题，深入思考两个调节器的结构，明确二个调节器具有相同的算法结构，仅仅是控制器的系数不同，因此，主程序调用子程序传递不同的参数就能实现，学生将深入理解程序调用原理。最后引出“微机数字控制双环运动控制系统”正题，将模拟控制各个环节转换成相应数字环节，那么学生对数字控制就更容易接受。

3.4 理论联系实际

在理论讲解过程中，为跟随时代发展，多举实际前沿例子。如讲解定值运动控制系统时，以我国“嫦娥探月工程”作为例子，其升空及变轨过程是按存储在微控制器预定曲线进行的。在讲解变频控制优点时，用成龙做的“要省电30%的格力变频空调”广告，以及无霜变频冰箱的应用等。将高频变换器与新能源联系起来，如风力和太阳能发电，激发学生兴趣，使学生体会到控制系统就在身边。

4 实践教学方面研究（Research of practice teaching）

运动控制系统是一门实践性较强的专业课，通过实验，培养学生逻辑思维和创新能力，增强学生实际操作和动手能力，加深对理论知识理解，反过来再用理论指导实践，这样就形成良性循环。我校教学大纲实验课为16学时，2学时仿真实验、4学时验证性试验、4学时现场参观和6学时设计性实验，满足不同层次学生需求。大部分学生的实践教学根据教学大纲来进行，同时注重个性培养，对那些基础较好的学生，为其创造实际应用环境。如我校成立大学生实验创新实验室，学生的能力在那里得到进一步提高。

4.1 利用MATLAB进行仿真实验

为了对理论内容进行透彻地理解，在讲完每一小节内容后，教师都围绕课上内容布置仿真实验作业，要求学生画出原理图，给出每一环节的传递函数，然后利用Matlab/Simulink软件进行仿真[3]，并对结果进行分析。通过Matlab仿真实验，加深对运动控制相关知识点的理解。在实验课上，教师布置交、直流运动控制系统综合仿真实验题目各一道，检验学生对相关知识点的掌握和理解情况。这是从理论到仿真的过程，实验消耗少、不受时间与地点制约，只需一台电脑辅以相应的软件就可以进行，大大降低教学成本，为学生自主学习提供便利，充分发挥学生的潜能。

4.2 基础性验证型实验

这个阶段的实验模块相对固定，对学生约束力较强，实验要少而精，但是绝对不能没有，因为涉及到强电，教师要详细讲解实验注意事项和操作流程。我校开设的验证型实验有两个：转速、电流双闭环可逆直流PWM调速系统，SPWM正弦脉宽调制变频器-异步电动机调速系统[4]。此阶段是从仿真到控制系统实验的转换过程，是实践的初步。通过实验，学生掌握运动控制系统调试及参数整定方法，调节器的结构对系统动态性能的影响。回顾本实验用到的理论知识，这些知识点是如何有效地组合在一起的，达到理论与实践的初步融合，为学生后续设计性实验打下坚实基础。通过实验报告，使学生由被动思考变为主动思考，提高分析问题与解决问题的能力。

4.3 现场工业参观

以往是在教学结束后，组织学生进厂参观学习。但由于课程已经结束，学生没有压力，同时对所学知识一头雾水，实习效果并不理想。我院针对这一问题，把课程结束实习穿插在课程中进行，将课堂教学与实践教学有机地结合，此过程是从直观到实际认知的过程。这样做的好处是，通过现场工业参观及时解决抽象的理论问题，对整个运动控制系统有个直观的认识。回到课堂后，教师将工业直观对象进行抽象，上升到理论的高度，这样学生就不是盲目地接受理论。

4.4 设计性实验

设计性实验是在我校综合实验室进行的。首先给出设计课题，设计题目不要过于简单，太简单达不到训练知识点的目的，但也不要太难，太难容易使学生丧失信心。最好选择那些学生看起来容易，但做起来不容易，覆盖知识面广的题目。结合我校单片机实验室、DSP实验室、嵌入式系统实验室、传感器实验室、电机与运动控制实验室，我们给学生布置的设计题目是“全数字PWM调速系统的电动机控制”，这个题目类似于验证性的实验，但又不是，在某种程度上超出验证性试验。对于微处理器的选择，取决于学生的兴趣和对处理器的掌握程度，具有很大的灵活性。同时实验平台具有开放性，既可以选择直流又可以选择交流调速。这样学生就能对这学期所有的内容进行回顾，巩固所学的理论知识，培养学生学习的主动性和解决实际问题的能力，加强理论知识与实际应用的结合。教师给出实验的目的、要求和适当的提示。要求学生给出设计方案、实验方法和步骤，撰写技术文档，分析实验结果。这个过程是从实际认知到满足实际应用需求的实践过程，与工厂实际设计过程类似，克服学生理论学习与实际工程相脱节的现象，解决学生动手能力的不足。学生走向社会就不会对实际控制系统的设计感到陌生和畏惧，也潜移默化地使学生对运动控制系统相关课程自主学习，将理论知识转化为生产力，满足社会对创新人才的需求。

5 结论（Conclusion）

从理论教学和实践教学两方面出发，以培养理论与实践并重的复合型人才为最终目标。从理论教学和实践教学两方面探讨“运动控制系统”课程的教学与实践，为社会输送合格的专业技术人才。本文讨论的运动控制系统教学研究方案，已成功应用于电气工程及自动化专业，学生对课程的教学方案比较满意，教学效果较好，学校的教学评估为“优”。

参考文献（References）

[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，2006.

[2] 姚舜才，温志明，黄刚.运动控制系统分析与应用[M].北京：国防工业出版社，2008.

[3] 周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真[M].北京：中国电力出版社，2010.

[4] 冯垛生.交流调速系统[M].北京：机械工业出版社，2008.

作者简介：

李旭超（1974-），男，博士，副教授.研究领域：调和分析在信息处理中的应用.

边素轩（1977-），女，本科，副主任护士.研究领域：医学图像处理.

刘 燕（1963-），女，硕士，教授.研究领域：信息处理与应用.