基于Matlab的项目式驱动法在《运动控制系统》课程教学改革中的研究

熊印国

(宜春学院 物理科学与工程技术学院，江西 宜春 336000)

“运动控制系统”课程是自动化专业一门重要的专业课，综合了电路原理、电子技术、电机及拖动、自动控制原理、电力电子技术、传感器检测技术、计算机控制技术等课程的相关基础知识。[1]作为地方应用型本科院校自动化专业课程，既不同于研究型大学对理论知识要求那么高，也不同于高职高专侧重于操作能力，而是要兼顾动手操作和应用创新、理论转化与能力培养，所以地方应用型本科院校“运动控制系统”课程要求注重理论与行业企业生产实践结合，使学生掌握交、直流调速系统的基本理论及系统分析、工程设计的方法，培养具有一定的控制系统理论基础、较强的控制系统分析和设计能力、能够服务于地方行业企业的应用型、复合型人才。[2]

1 教学现状与教学研究

本课程除了具有先修专业基础课程多、综合性强、理论知识抽象、知识点多特点外，还具有理论与实践联系紧密和工程应用性强的特点。课程的教学目标分为知识目标、能力目标、思政目标。要求学生熟练掌握电力拖动自动控制系统各功能组成部分原理分析和设计的理论基础知识，有较强工程设计、应用实践能力，培养学生坚定的家国情怀、塑造热爱专业、团结拼搏、创新进取、甘于奉献的品质。课程的性质与特点，不仅要求学生对相关课程有扎实的基本功和较强的动手能力，也需要任课教师适时地将关联的知识点进行简要地复习回顾，使教学与实践环节有机结合。[3]目前，学生普遍感觉该课程学习难度大。主要原因有：(1)课程综合性强，联系紧密的前期相关专业基础课和专业课知识基础不够扎实。(2)系统结构复杂、系统观念不强。(3)工程意识缺乏、工程能力训练不够。(4)老师与学生学习互动不够，理论教学效果不够理想。(5)实验学时较少且实验设备缺乏、实验手段单一、实验效率低下、实验教学效果不理想。

目前，国内高校《运动控制系统》课程教学改革主要在教学内容、教学方法、教学手段、教学模式进行了探索和改革，如：教学内容模块式教学、启发式教学、基于虚拟平台实验教学、纯理论软件仿真、微项目驱动等，这些教学改革对于培养学生学习《运动控制系统》课程的兴趣、系统掌握课程的理论体系等方面均起到了很好的作用，但对于学生的工程实践能力和创新思维的提升依然没有得到很好的解决，有必要引入Matlab(Matrix Laboratory)仿真软件到课程教学中来。该软件功能强大，在科技和工程界广为使用，Simulink是Matlab的重要组成部分，是Math Works公司专门开放的结构图编程与系统仿真工具。[5]基于Matlab的《运动控制系统》项目驱动式教学，综合Matlab软件仿真教学和项目驱动教学的优点，将《运动控制系统》课程教学内容以具体项目进行软件仿真，细化到对应项目中，采用图形直观的方式，很好的体现了项目与基本控制模块之间的联系，从而建立运动控制系统的概念，实现虚实一体化，融“教、学、做”于一体，使学生真正做到知行合一，切实提高学生的工程素养与实践应用能力。[6]

2 课改思路

如何激发学生的主动学习兴趣，培养学生的系统观念和工程素养，让学生具备分析、解决运动控制系统实际工程问题的能力，是本课程教学改革的重点和目的。作为应用型本科院校应不断探索合适的教学内容，形成符合专业定位的运动控制系统教学体系。针对当前老师“填鸭式”的教学模式，将课堂教学内容、实验内容和课程设计内容进行有效整合，由主讲老师整理课程有关工程项目资料，Matlab仿真软件、仿真项目资料及线上慕课、精品课程视频提前推送给学生。将班级分成3-5个小组，挑选专业基础扎实、学习能力强、工程素养高的同学担任组长。提前一周通过线上布置相关模块的理论学习任务和仿真练习要求，加强对各小组组长线上指导和答疑，培训挑选一批学生讲师，确保小组学习任务高效完成。线下课堂教师对照每个模块要求掌握知识点进行重点讲解后，再由各小组根据本模块学习遇到的难点和疑惑进行课堂讨论和总结。实验教学结合实验室设备和仿真平台开展虚实结合教学，直流调速实验教学虽然在实验设备容易实现，但由于系统较复杂，设备故障率高、调试要求高，要想高效完成班级实验教学还是需要教师培训学生讲师，要求学生讲师深刻理解实验原理、调试方法和故障诊断。交流调速系统实验教学由于数学模型复杂、控制理论先进在现有设备条件难以完成实验教学内容，Matlab仿真平台提供了很好解决办法，学生根据教师下达参数指标要求不受空间、不受时限独立完成仿真实验内容。通过模块化、项目案例驱动、Matlab仿真等教学方法对增强学生综合分析、解决现场实践工程问题的能力有很好提升促进效果。

2.1 课程教学内容模块化

“运动控制系统”课程教学内容分为直流调速拖动控制系统、交流调速拖动控制系统两大模块。如表1、图1所示。

图1 运动控制系统组成模块

表1 课程教学内容模块

通过模块化教学，让学生掌握课程主要知识点，明确学习目标和任务。其中直流调速系统各模块内容是调速系统基础，双闭环调速系统工程设计法对于培养学生逻辑思维能力、综合分析能力、设计能力有很好的提升效果。对于调速系统动态过程分析普遍反映抽象深奥、理解困难，为了提升学习效果和课堂互动性，在Matlab/Simulink平台下构建转速负反馈单闭环调速系统、转速电流负反馈双闭环调速系统、双闭环可逆直流调速系统、SPWM交流变频调速、矢量控制系统、直接转矩控制系统仿真模型。通过软件仿真可以很直观理解电机启动、负载扰动、参数变化等情况下各种波形和仿真曲线，帮助学生对系统控制原理的认识与理解，从而提高运动控制系统课程的教学质量和教学效果。

2.2 项目实验虚实结合

由于该课程理论联系实际较强，而理论教学又比较抽象，因此需要借助实验调动学生的学习兴趣，增强学生对课程的理解。本课程安排了：基于Matlab单闭环直流调速系统设计与仿真、基于Matlab双闭环不可逆直流调速系统设计与仿真、基于Matlab的恒压频比变频交流调速系统设计与仿真、基于Matlab异步电机双闭环矢量控制系统设计与仿真等实验仿真项目。下面以基于Matlab双闭环不可逆直流调速项目为例简述仿真步骤。

首先根据系统组成、系统参数、指标要求设计出系统动态结构图如图2所示。电机参数为Un=220 V，IN=220 A，nN=1430 r/min，λ=1.5；系统参数为Unm*=10 V，Ks=40，RΣ=0.5 Ω，Tl=0.03 s，Tm=0.18 s，β=0.05 V/A，ɑ=0.007 V·m/r。指标要求：无静差，电流超调量σ5 %，转速超调量σ5 %。[4]

图2 双闭环调速系统动态结构图

其次根据系统指标要求和工程设计法计算出电流、转速PI速调节器参数为：ki=1.13，τi=0.03 s，Kn=11.7，τn=0.087 s。根据理论设计结果利用Matlab中Simulink仿真工具构建基于动态结构图的直流双闭环调速系统仿真模型如图3所示。

图3 基于Matlab双闭环调速系统仿真模型

最后在Simulink仿真工具设置好相关参数仿真运行结果如图4所示。

图4 按动态结构图仿真的电流和转速响应曲线

通过具体项目虚拟仿真让同学熟悉掌握调速系统原理分析和设计过程，同时在现有实验条件下对该项目进行电路设计和过程调试。在实验过程中根据Matlab仿真实验原理来指导电路设计和参数调试。训练学生用系统观念和工程思维来研究分析调速系统虚拟仿真与实际系统实验结果差异原因。通过项目虚实结合训练，培养了学生的学习热情和兴趣，激发了学生的求知欲望，提高了实验效率和成功率。能力一般的同学自主完成一些验证性实验和简单环调速系统综合实验，保证完成基本教学实验要求。能力较强的同学除自主完成教学规定的实验内容外，在教师指导下还进行一些综合设计型和创新型实验，达到提高工程素养和工程能力、适应产教融合的高要求。

2.3 课外工程技能综合训练

运动控制系统是自动化专业核心课程，课外工程技能训练是保证本课程教学效果的重要一环。一是利用校内开放实验室和西门子智能制造实训平台，由任课教师和企业导师共同出题，模拟工业现场实际问题引导学生积极参与、大胆探索、共同交流。二是课外密切与行业企业联系，了解企业用工技术需求，带领一批理论基础扎实、动手能力强的学生深入自动化相关企业，利用行业企业设备、技术和人才资源开展以项目为导向的工程能力训练。三是鼓励学生参与与本课程密切相关的教育部-西门子杯智能制造挑战赛、全国大学生机器人大赛等大学生科技创新与实践技能大赛，实现以赛促学、以赛促教、以赛促训。四是充分利用学习通、智慧树等网络学习平台为学生提供Matlab仿真软件学习资料和有关基于Matlab运动控制系统仿真电子资源、链接自动化行业应用资料，如行业动态、国际行业标准、项目解决方案等，为学生提供丰富的课外工程技能训练资源。通过以上工程训练提高了学生主动学习热情、锻炼了解决工程问题能力、增强了学生毕业就业竞争力。

3 教学方法与手段

本次教改采用多种教学方法，改变传统教学中一切由老师主导“填鸭式”方式，采用OBE教学理念，一切教学以学生为中心，以提高学生工程素养和工程能力为目标导向。全面采用启发式、案例讨论、课堂讲评、多媒体模块教学、小组讨论、多媒体虚拟仿真等教学方式引导学生积极主动思考，提高学生分析问题和解决问题的能力。利用学校“智慧课堂”和“学习通”提前录制相关教学和实验视频给学生进行预习和参考，提高课堂教学效率和教学效果。在讲课过程中根据教学效果适时穿插介绍知识点，引导学生课下做好项目相关技术资料文献收集工作。对于交流高性能变频调速原理如矢量控制系统、直接转矩控制系统内容，学生普遍反映学习难度大，采用仿真软件Matlab/Simulink构建模块化仿真模型，通过仿真曲线直观理解该控制策略的数学模型各部分组成原理，加深对较难知识点理解、增强课堂生动性和学习效果。

4 考核方式

好的课程考核方法有利于增强学生的主动学习热情，激发学生的学习潜力，促进“教”与“学”的良性互动。教改前“运动控制系统”课程考核成绩由课堂考勤和作业、实验成绩、期末考试成绩三个部分，比例分配是20 %、20 %、60 %。过于注重理论学习效果，工程能力评价没有得到应有体现。本课程教学改革后课程考核从理论课程考核和实验实训两方面评定，理论考核方面注重学生学习过程考核，包括作业完成情况、课堂参与表现、项目讨论和解决问题能力、项目虚拟仿真效果等方面。并对各项分配权重，突出考核重点。实验实训方面以课内实验和课程设计进行综合考核。课内实验从学生实验态度、实验操作技能、实验结果分析、实验报告总结进行评定。课程设计从查阅资料能力、方案设计可行性、团队合作能力、答辩成绩等方面评定。并对各项分配权重，突出综合运用理论解决和分析实际问题能力，重点考核学生工程素养和工程技能。

5 结语

基于Matlab的《运动控制系统》项目驱动式教学改革对课程体系进行了优化和模块化改革，采用工程项目驱动提升学生工程素养和工程能力训练，引入仿真软件Matlab/Simulink帮助学生对教学内容加深理解。同时，对课堂理论教学、实验教学及教学方法与手段、考核方式进行了改革。在宜春学院19自动化、20自动化采用教学改革后，实施两年来学生主动学习兴趣大幅提高，学习效果显著提升，期末考核成绩平均分和及格率分别从为65.6分、71.3 %提高到78.6分、96.3 %，学生工程实践能力明显增强，学生获国家授权专利12项，其中发明专利5项，近40位同学积极参与各类国家级学科竞赛，获得特等奖1项、一等奖2项、二等奖6项的好成绩。本教学改革对于培养学生的学习兴趣、思维能力和工程能力都有很大的提升，对其它专业课程教学改革有一定的借鉴意义。