“运动控制系统”课程教学探讨与实践

陈 霞，张开如

(山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛266590)

“运动控制系统”是自动化专业的主干课程。该课程与其它专业课相比，具有以下特点:①涉及的知识点多、知识面广，内容涉及“自动控制原理”、“电机与拖动”、“电力电子技术”等专业课程;②系统性、实用性强，是一门强弱电结合、电力与电子技术结合、软件与硬件结合、元件与系统结合的专业课程;③通用性强，运动控制系统所研究的内容是过程控制系统和机器人控制系统的基础，具有通用性。该课程是自动化专业教学难度比较大的一门课程。

鉴于上述特点，为达到本课程教学培养目标，需协调好理论教学、实验教学以及与多学科的融合关系，这对学生和教师都提出了较高的要求，笔者根据多年教学经验，就“运动控制系统”课程的教学谈几点体会。

1 整合教学内容，注重课程融合

整合教学内容的目的就是强调“运动控制系统”课程本身的系统性和教学内容的关联延续性[1]。由于“运动控制系统”课程涉及的知识点多、知识面广，和前续多门课程相关联，在课堂教学中，教师应根据教学内容，对涉及的相关知识点进行简要的穿插回顾，以使教学内容无缝连接，使学生将学过的知识和所研究的运动控制有机地融合在一起。

作为一个实例，教师在开始讲授闭环系统时，可以把以前与运动相关的专业知识与它融合到一起，可突出两部分:

(1)能量变换装置:由于实现电气能量形态变换的电力电子变换装置已经在专业基础课“电力电子技术”中讲过，所以本课程仅简单复习所要用到的有关内容，把两门课程融合起来即可[2];

(2)负载拖动:在单闭环运动控制系统的学习过程中，可将专业基础课“电机及拖动基础”中有关拖动的知识点提出，并重点讲解它与单闭环控制系统的联系。在此基础上通过对工程实际运动控制系统的剖析，研究基本的控制规律和实现的原理，用系统的观点去讲授教学内容，循序渐进地由简单系统向复杂系统过渡，让学生在理解基本原理的基础上，建立基本控制系统分析与综合的概念和方法，使学生在完成本课程的学习后，具有基本的控制系统工程设计能力和初步的研发能力。

2 理论联系实际，内容循序渐进

课程教学过程中，注意理论联系实际，可以引入日常生活所接触到的拖动系统，如空气压缩机、提升机、恒压供水和龙门刨等作为例子，通过分析这些拖动系统的工作原理，将课本上的知识与现实中的例子进行点对点连接，给学生建立起明确的目标和控制对象，使学生摆脱纯理论学习带来的枯燥无味感觉，学生学习的兴趣就会提高起来。

教学内容要循序渐进。在讲授新的问题之前，对已学内容进行适当总结，分析其优点和不足之处，引出解决问题的可能途径，为新的内容讲授埋下伏笔。例如:在单闭环直流调速系统的教学过程中，实现系统调速有多种方案，若只是把这些方案逐一灌输给学生，学生很难全面掌握，这就需要教师精心安排教学内容，在原始系统的基础上，始终以电动机调速为主线，通过提出问题、应用已学相关课程的理论分析问题、然后解决问题的方式，坚持循序渐进、由简到繁地引入新的方案，就能化解学生的畏难情绪，使相关内容变得易于理解和掌握。

3 改进教学方法，激发学习兴趣

3.1 抓住主线，突出重点

“运动控制系统”是一门理论联系实际很强的课程。从基础理论上看，它综合了多门已修课程的内容，从实际应用方面看，它又是应用极为广泛的实际系统。这就要求在讲授时应沿着一条主线，围绕这条主线讲清楚重点和难点内容。

直流调速部分教学主要以闭环控制系统为主线。主线设计可分以下几步:①利用“电机与拖动”课程中讲述的电动机机械特性、速度控制原理与方法，引出相应的调速方案[3];②利用自动控制原理所学内容，建立控制系统数学模型，并根据数学模型，计算满足系统性能指标的调节器参数;③利用自动控制原理的知识，计算其静态特性和动态稳定性，并在计算结果的基础上进行校正;④利用仿真软件根据校正前后的参数模拟对比运行，观察对比结果，印证所学理论知识。

交流调速部分的教学主要以变频为主线。为什么要以变频为主线呢?在学习已修课程“电机与电力拖动”时，电动机的基本特性方程是在工频交流电、气隙磁通不变的情况下得到的。而在交流调速中推导电动机机械特性时，除要考虑交流电的频率变化外，还要考虑恒定子磁通、恒气隙磁通和恒转子磁通等情况。如何考虑这些元素呢?一般的教材很少给予交代，在后续课程才会讲授相关的内容，就造成教学内容的不连贯。此时用变频调速把此处贯穿起来，就形成了一条非常清晰的主线，从原理上讲可以得到变频调速的几种类型，即恒压频比控制、转差频率控制、矢量变换控制和直接转矩控制等[4]。

3.2 数学推导与物理概念有机结合

由于变频调速技术的飞速发展，利用数学变换来实现某些控制策略已是必不可少的内容，教学中若处理不好数学变换过程的讲解，就会将课程内容变成枯燥的纯数学推导，会使学生对理论推导内容与变频调速之间的关系混淆不清，因此必须将数学推导与相应的物理概念有机结合，使数学推导由物理概念来支撑，给原理性物理概念找到数学理论依据，这样学习起来就会目的明确、概念清晰，使学生有兴趣去研究数学变换。

下面以交流调速部分学生反映难于理解的矢量变换变频调速为例，来说明数学推导与相应的物理概念如何结合。在矢量变换变频调速部分，提出坐标的旋转变换概念，有两个问题必须解决[4]:

(1)坐标的旋转变换的物理概念和变换方法，应从三相异步电动机的工作原理入手。三相异步电动机接入三相交流电后，会在定转子气隙中产生旋转磁动势，切割闭合的转子导体，从而产生转子电流，而载流导体在磁场中会受到力的作用，这样就会使得转子运转起来。如果把三相定子绕组所在的轴线分别定义为A、B、C轴，由于定子绕组是不动的，称这种坐标系为三相静止坐标系，这样就引出了三相静止坐标系的概念。

(2)变换应遵循什么样的条件，应以产生等效的磁动势为前提，只要其大小和旋转的速度一样，对同一个转子而言，其结果就是一样的，这就是变换条件。此处可分几步讲解:①首先考虑两相交流电动机，在两相定子绕组中通以相位互差90度的正弦交流电，这样将产生旋转磁场，如果大小和转速与通以三相交流电时一样，其结果就是一样的。这样就将三相交流电动机变换为两相交流电动机工作，坐标为互相垂直的直角坐标系，由于此时定子绕组是不动的，称这种坐标系为两相静止坐标系;②其次考虑将两相交流电动机的绕组通以直流，使它产生的合成磁动势与通以交流电时一样，其结果是由于磁动势不旋转，对转子不产生任何力，转子不可能转起来。设想用外力拖动使这个坐标系以上述旋转磁场的转速旋转，对同一个转子而言，其结果是一样的，但此时的坐标系是旋转的，绕组通的是直流电，因此把此坐标系称为旋转坐标系。如果此时的磁动势大小和速度与前面所讲的一样，对同一个转子来说其效果是一样的，这就从原理上说明了，尽管坐标系不一样，但结果是相同的。假定人站在旋转的坐标系上，人相对于坐标系而言，此坐标系正是直流电动机的等效坐标，这样就把交流电动机最终等效为直流电动机的模型，交流电动机控制就可以应用直流电动机的控制方法实现。

4 增加创新实验，注重课程设计

4.1 验证性实验与创新性实验

“运动控制系统”的实验课程主要是验证性的，其实验步骤为原理讲解、电路连接和过程调试等。在这一过程中，为尽量避免让学生“依葫芦画瓢”式操作，教师应引导学生用工程思维来完成实验，不要只注意验证结果，要研究实验对象的特性，有什么样的功能，能为什么地方服务。例如:测试调速系统各单元部件的特性、功能及参数，其主要作用是为运用工程方法设计后续实验的控制器参数做铺垫。

对于其创新性实验，主要是运用已测得的系统参数及各种调速方法，对构成闭环控制系统的控制器进行理论设计与实验调试，从而满足系统要求的性能指标，这就要求学生以完成课题的方式完成实验:①首先学生要在教师的指导下提出设计方案，设计出控制系统主电路;②确定调速方案;③建立控制系统数学模型;④依工程设计方法设计调节器参数;⑤利用仿真软件设计模拟系统，观察设计效果是否能满足性能指标要求，根据结果修正设计的调节器参数;⑥最后进实验室进行硬件调试。一个创新性实验可以涵盖多门课程的知识点，使学生在实践中把它们有机地结合起来，融会贯通，加深了对“运动控制系统”相关理论知识的认识、理解与应用。

4.2 课程设计教学环节

“运动控制系统”课程设计是为了使学生更好地掌握理论教学内容而进行的，它将以前所学的多门课程知识整合在一起，开发出一个实际的运动控制系统。在这个系统里既有硬件电路设计，又有软件设计，将运动控制课程群的核心课程所传授的知识无缝衔接，提高学生分析、解决问题的能力。通过研究这样一个综合性的应用系统，学生毕业后基本可以胜任企业的研发工作。

4.3 计算机辅助分析软件的应用

由于运动控制系统中有许多复杂、抽象的电动机控制算法，如果让学生借助于计算机分析、研究这些算法，能提高学生学习的主动性，因此在教学过程中教师要重视普及计算机辅助分析软件的应用，加深学生对基本理论和应用系统的理解。

这个问题的难点是只有部分学生具备灵活使用这些工具的能力，对此可采用多步走的方式:①根据现有实验条件，结合理论课内容，首先让学生完成验证性的简单应用系统的实验内容;②将这些简单应用系统作为任务布置给学生，让学生尝试着采用仿真软件完成，例如:让学生利用Matlab软件完成单闭环直流调速系统仿真;③在学会熟练使用仿真系统的基础上，完成复杂系统的仿真，并进行仿真验证。通过对仿真结果的比较，找到参数与结果之间的内在关系，为学生实际调试时调整方向提供依据;④在此基础上鼓励学生完成实际复杂应用系统的电路制作、焊接和调试。

5 结语

通过对“运动控制系统”教学的不断探索，合理安排课堂的教学、实验内容，在教学过程中注意教学方法与技巧的改革，提高了“运动控制系统”课程的教学质量，使原本较难学习的“运动控制系统”课程易于理解，容易掌握，收到了较好的教学效果。

[1]鲍建宇，刘毅华，崔家林.运动控制课程群的实践教学改革研究[J].合肥市合肥工业大学学报(社会科学版)，2010，(1)

[2]程琼，郑建勇，廖冬初.“电力电子技术”课程改革新探讨[J].南京 电气电子教学学报，2009，(2)

[3]张昌华，陈勇，黄琦.“电机与拖动基础”课程实施研究型教学改革的探讨与实践[J].北京中国电力教育，2009，(129)

[4]陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M].3版.北京:机械工业出版社，2003.1.全部英文改为