基于MATLAB的电力拖动自动控制系统课程教学改革探讨

◆王宪磊

基于MATLAB的电力拖动自动控制系统课程教学改革探讨

◆王宪磊

针对电力拖动自动控制系统课程理论性和实践性强的特点，从增强教学效果出发，在课堂教学和实验教学中引入MATLAB仿真，将理论与实践紧密结合，改变传统教学中存在的不足，加深学生对课程学习内容的认识与理解，激发学生的学习兴趣，增强教学效果。

MATLAB；电力拖动；自动控制系统

1 前言

电力拖动自动控制系统是电气工程及其自动化和农业电气化与自动化专业的一门重要的专业骨干课，涉及电机学、电力电子技术、自动控制原理、信号与系统、单片机原理及应用等众多的专业基础课程，属于一门综合性很强的课程，具有很强的理论性和实践性。该课程以机械运动的驱动设备——电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下研究电力拖动系统的自动控制。鉴于该课程在专业课程体系中的综合性和重要性，对该课程的教学改革非常有必要，通过引入MATLAB仿真软件，将理论教学和实践教学相结合，增强课程的教学效果。

2 该课程传统教学存在的不足

该课程理论性强，涉及的专业基础知识多，传统教学中缺少教学互动，大部分是教师讲，学生被动地学习。该课程涉及大量的公式推导，所以在传统教学中，教师借助板书和多媒体讲解公式时非常单调，学生根本没兴趣学习。还有该课程实践性很强，大量的理论知识要结合实际的电力拖动系统进行讲解。在传统教学中，教师基本都是根据教材中的电力拖动示意图来讲，或者通过课件展示的图来讲解电力拖动系统的结构、组成和工作原理等，学生听课太单一。关键是学生头脑中缺乏电力拖动生产实践的影子，对一些工程原理和过程还是无法深入理解。特别是该课程教学中经常要分析电力拖动系统的动态变化，在传统的教学中靠板书画图太繁琐，课堂学时有限，所以无法展示动态变化。这样学生无法理解系统的动态过程，只能看到系统局部的变化，无法宏观上理解电力拖动系统，只能结合教材中的图片和文字说明加深记忆，没有从根本上深入理解电力拖动的工作内涵。

在该课程的实验教学中，传统的实验教学都属于验证性实验，综合性和设计性实验基本没有，学生就是在实验台上机械地进行接线，按部就班地完成实验步骤，然后记录实验数据，分析实验结果，简单地验证课本所学的理论知识。这种实验教学过于简单，学生不需要太多思考，就是简单的接线、测数据、分析结果，无法锻炼学生的创新思考能力，所以学生兴趣不足，学习的主动性差，大部分学生都是应付实验，实验效果差。再加上实验设备数量有限，学生人数多，每组实验人数较多，实际实验过程中，真正动手做实验的学生较少，学生的实验动手能力无法得到有效提高，导致实验教学效果不理想。

鉴于电力拖动自动控制系统课程在传统教学中存在的不足，引入MATLAB计算机软件辅助教学，通过计算机仿真将该课程与实践紧密结合，给学生建立更多的生产实践的影子，让学生在课堂上和实验中把课程理论知识和实践通过MATLAB仿真串联起来，提高学生的学习兴趣和主动性，提高该课程的教学质量。

3 基于MATLAB仿真教学改革

理论教学改革 结合电气类专业人才培养方案的不断修订，电力拖动自动控制系统课程的学时不断压缩。目前，塔里木大学该课程总学时48，理论学时42，实验学时6。考虑到该课程的理论性和实践性较强，必须既重视理论教学，又重视实验，在有限的学时内尽可能提高学生的理论知识水平和实验技能，必须精选教学内容。

该课程主要介绍直流拖动系统和交流拖动系统两大部分，先介绍直流电力拖动，再介绍交流电力拖动。讲课中，把直流电力拖动作为基础理论来重点讲，因此，这是整个电力拖动的理论基础，为后续的交流拖动打基础。所以在教学中，对于直流拖动，重点给学生介绍拖动系统的基本概念，分析思路，进行拖动系统组成、工作原理的分析等。要简化公式的推导，对于一些与实践系统紧密结合的知识点，为了加深学生的理解和记忆，要采用MATLAB仿真，课堂中利用多媒体教学，通过对实际系统建立仿真模型，利用多媒体课件，将仿真模型在课堂上给学生展示，介绍系统的结构、组成和工作原理等。把实践中的系统通过MATLAB仿真在课件中展示，使学生在听课过程中脑海里始终有实际系统的影子，听课中不会脱离实际系统，这样听课学习效果很好。

另外，通过仿真软件，还可以展示系统的动态变化。比如，利用MATLAB建立一个实际的直流电力拖动系统仿真模型，然后利用软件给仿真系统加入不同的输入量，通过仿真可以观察到系统输出量的数值变化或者图形曲线变化。这样学生通过仿真系统学习理论知识非常直观，更容易加深理解和记忆，能增强课堂学习效果。所以，对于交流电力拖动，要结合MATLAB仿真，精选典型的教学内容，选取典型的电力拖动实例，使学生通过日常生活中常见的典型拖动系统来学习课程的基础知识，学生印象更加深刻。

对于另一部分交流电力拖动，其基本的拖动理论知识与直流拖动系统类似，区别就在于所用的电动机不同，用交流电动机取代了直流电动机。考虑到目前大部分的电力拖动都采用性能更好的交流拖动，由于学时有限，对于交流拖动系统，重点给学生介绍交流电力拖动的实际应用。对于其理论知识要简单介绍，因为其理论与直流拖动类似。交流电力拖动系统中，要结合MATLAB仿真，精选实际中典型的一些交流拖动实例进行分析仿真，结合仿真系统来进行讲解，加深学生的理解。

实验教学改革 考虑到该课程的实验学时较少，只有6个学时，再考虑实验教学中除了让学生在实验台动手接线，也要让学生在实验期间利用电脑做MATLAB仿真实验，让学生学会用MATLAB仿真软件进行电力拖动自动控制系统的仿真，把实验内容搬到仿真软件里，改变传统实验教学中单一的学生单纯接线验证实验，提高学生的实验技能，也给学生普及MATLAB仿真软件，让学生学会用仿真软件来辅助学习。考虑到只有6学时实验，精选三个实验，分别是直流电动机的启动和调速、直流电动机的反转和制动、异步电动机的接触器联锁正反转控制。这三个实验学生既要在电力拖动实验台进行动手接线操作，又要在电脑上用MATLAB进行仿真实验，这样实验教学非常饱满，既锻炼了学生的动手能力，也提高了学生的仿真软件应用能力，对于学生实验技能的提高非常重要。

学生技能训练改革 考虑到该课程实践性强的特点，必须重视学生的技能训练。传统的课程技能训练，大部分是教师通过布置教材中相关的习题作为课后作业，通过作业情况来检验学生的学习效果。这种训练过于单一，只注重了学生的理论知识，不能引起学生的普遍重视，他们还是简单地照搬课本理论知识来完成作业，思考度不够，对创新思考能力不能充分挖掘。

教师应该要既重视理论知识的巩固，也要考虑培养学生的思考能力和实际动手能力。教师在课堂和实验教学中，应用MATLAB进行大量的仿真实例演示，学生对MATLAB仿真软件也有了基本了解。因此，教师在该课程中为了提高学生的知识技能，可以结合教学内容给学生布置一些以MATLAB为基础的电力拖动仿真作业，让学生把课堂学到的仿真知识得以应用，加深对仿真软件的学习。教师可以设置一个电力拖动控制目标和要求，让学生自己确定设计方案，自行确定系统结构，自行计算系统中的元器件参数，然后利用MATLAB仿真软件建立系统模型，观察系统的仿真运行结果。

这样的技能训练，既让学生对电力拖动理论知识加以巩固，又使学生学会了用MATLAB仿真软件建模，也对该软件进一步学习，关键是学生把课堂学到的仿真分析方法得以实际应用，提高了创新能力和动手能力。

4 结束语

将MATLAB仿真软件引入电力拖动自动控制系统课程教学中，使得在有限的学时下提高了课程教学信息量，同时使课程的理论与实践相结合。通过仿真软件的演示，给学生营造良好的教学环境，实现教与学良好互动的课堂氛围，使学生更容易理解课程内容，加深学习印象，提高学习兴趣。因此，该课程引入MATLAB仿真辅助教学后，可以增强教学效果，提高该课程的教学质量。■

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G642.0

B

1671-489X（2016）10-0014-02

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.10.014

作者：王宪磊，塔里木大学机械电气化工程学院讲师，研究方向为电力系统及其自动化（843300）。