淺談運動控制系統(tǒng)課程實踐環(huán)節(jié)實驗臺建設(shè)

摘要：基于“運動控制系統(tǒng)”課程的特點和該課程實踐環(huán)節(jié)所包涵的幾個實驗及各個實驗的基本特點，探討并分析了制定該課程實驗平臺建設(shè)的規(guī)劃方案應(yīng)該考慮的主要因素，對“運動控制系統(tǒng)”課程實踐環(huán)節(jié)實驗平臺的建設(shè)進行了初步探索并提出了積極的建議。

關(guān)鍵詞：運動控制系統(tǒng)；課程特點；實驗平臺建設(shè)

作者簡介：段鎖林（1956-），男，陜西岐山人，常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，教授；陳嵐萍（1974-），女，四川內(nèi)江人，常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，副教授。（江蘇 常州 213164）

基金項目：本文系常州大學(xué)重點課程建設(shè)項目“電機拖動與控制”（項目編號：ZDK11020007）、常州大學(xué)教研項目（項目編號：GJY12020027）的研究成果。

中圖分類號：G482 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）34-0178-02

“運動控制系統(tǒng)”課程是自動化、電氣工程及自動化專業(yè)的一門核心專業(yè)課程，其應(yīng)用性、實踐性很強，因此對該課程實踐環(huán)節(jié)的建設(shè)是一個十分重要的問題。如何考慮各種綜合因素來規(guī)劃并實施實踐環(huán)節(jié)建設(shè)方案是進行該課程建設(shè)和提高該課程教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。本文就“運動控制系統(tǒng)”課程實踐環(huán)節(jié)建設(shè)規(guī)劃和實施方面的一些相關(guān)問題進行了初步探索。

一、本課程的特點

該課程涉及的課程門類較多，應(yīng)用性很強，主要具有以下幾個特點：

1.綜合性強

該課程涉及“自動控制原理”、“現(xiàn)代控制理論”、“檢測技術(shù)與儀表”、“電機學(xué)”或“電機與拖動基礎(chǔ)”、“電力電子技術(shù)”、“微電子技術(shù)”、“計算機控制技術(shù)”等專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課。課程的三大模塊即直流調(diào)速系統(tǒng)、交流調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)，[1]自始至終貫穿了自動控制原理的基本知識，交流調(diào)速、伺服系統(tǒng)模型及坐標(biāo)變換中要涉及現(xiàn)代控制理論中狀態(tài)空間法的知識，其他各門先行課程的知識也均在各章節(jié)都有呈現(xiàn)，所以“運動控制系統(tǒng)”是綜合應(yīng)用上述各門課程知識來解決交直流調(diào)速和伺服系統(tǒng)建模、分析、設(shè)計與實現(xiàn)的一門綜合性很強的專業(yè)主干課程。[2]

2.工程背景強

在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)裝備、現(xiàn)代軍工裝備、現(xiàn)代航空航天裝備中現(xiàn)代交通運輸工具以及現(xiàn)代社會生活中交直流調(diào)速和伺服系統(tǒng)隨處可見，從汽車、電動自行車、電風(fēng)扇到機器人、數(shù)控設(shè)備、航天飛機、宇宙飛船等，交直流調(diào)速技術(shù)和伺服控制技術(shù)是這些裝備的關(guān)鍵技術(shù)之一，并且調(diào)速和伺服技術(shù)的優(yōu)劣直接影響著整個系統(tǒng)或整個裝備的性能的優(yōu)劣。

3.實踐性要求較高

無論是直流調(diào)速還是交流調(diào)速及伺服系統(tǒng)對實踐環(huán)節(jié)的要求都比較多，實驗安排的學(xué)時也相對其他課程較多，實驗學(xué)時一般占總學(xué)時的五分之一左右，并且這些實驗所需要的設(shè)備的成本也都較高，對使用這些設(shè)備的學(xué)生和教師的動手能力的要求也相對較高，特別是指導(dǎo)教師，為完成一個2學(xué)時的實驗，教師往往需要事先準(zhǔn)備至少超過2學(xué)時，設(shè)備的調(diào)試過程復(fù)雜，如果是容易出問題的舊設(shè)備更增加了設(shè)備調(diào)試的時間。對于學(xué)生而言，如果事先不預(yù)習(xí)實驗指導(dǎo)書，則可能會不了解如何動手或如何調(diào)節(jié)設(shè)備。因此，“運動控制系統(tǒng)”課程實踐環(huán)節(jié)對教師和學(xué)生實踐能力的要求較強。

4.實踐環(huán)節(jié)覆蓋的課程范圍較寬

“運動控制系統(tǒng)”課程的實踐環(huán)節(jié)包括課程實驗、課程設(shè)計、工程實訓(xùn)、認(rèn)知實習(xí)、畢業(yè)實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計等，但各環(huán)節(jié)的學(xué)時安排多少有別，各個環(huán)節(jié)對教師和學(xué)生及對所需搭建的設(shè)備平臺也不盡相同，如何考慮各環(huán)節(jié)的設(shè)備投入、人員投入，使設(shè)備能做到物盡其用，發(fā)揮應(yīng)有的效益，提高實踐環(huán)節(jié)的教學(xué)質(zhì)量就是一個較難的問題。

本文針對“運動控制系統(tǒng)”課程的以上特點，就該課程實踐環(huán)節(jié)課程實驗臺建設(shè)方面遇到的幾個問題，結(jié)合實際情況進行了一些有益的探索和嘗試。

二、課程的實踐環(huán)節(jié)分析

1.結(jié)合課程內(nèi)容的課程實驗

該實驗學(xué)時大約占總課程的五分之一，是該課程實踐環(huán)節(jié)中最重要也是必須做的內(nèi)容，該部分實驗一般由4～5個實驗組成，包括直流、交流調(diào)速和伺服系統(tǒng)內(nèi)容，一般交直流調(diào)速各安排2個實驗，伺服系統(tǒng)安排1個實驗。實驗內(nèi)容是根據(jù)課程內(nèi)容安排一些基本特性、基本環(huán)節(jié)、基本系統(tǒng)的實驗內(nèi)容，相比該課程其他實踐環(huán)節(jié)的難度較低，但卻是該課程的基礎(chǔ)實驗，占有重要的位置。

2.課程設(shè)計所涉及的實驗

“運動控制系統(tǒng)”課程設(shè)計所要完成的內(nèi)容主要是調(diào)速系統(tǒng)的某些重要環(huán)節(jié)的設(shè)計實現(xiàn)、系統(tǒng)建模仿真，該類實驗是在課程實驗基礎(chǔ)上針對系統(tǒng)某一環(huán)節(jié)的具體設(shè)計，如調(diào)速系統(tǒng)控制器的設(shè)計與實現(xiàn)或者設(shè)計與仿真、變頻器的設(shè)計實現(xiàn)、簡單調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計仿真與實現(xiàn)等，這類實驗相對于課程實驗要復(fù)雜一些，因為其內(nèi)容基本要體現(xiàn)一個簡單“系統(tǒng)”的部分內(nèi)容或全部內(nèi)容。

3.工程實訓(xùn)類實驗

這類實驗涵蓋內(nèi)容較多，除了基本知識類實驗外，還有一些課堂知識之外的相關(guān)實驗，如低壓電氣控制實驗、PLC應(yīng)用實驗等。

4.畢業(yè)設(shè)計類實驗

這類實驗一般占學(xué)時較多，實驗系統(tǒng)性、完整性較強，對設(shè)備的要求也較高，一般是運動控制系統(tǒng)各類實驗中對系統(tǒng)設(shè)備要求最高的一類實驗。從傳感器、控制器、驅(qū)動裝置、控制對象到其他輔助控制單元都要求具有完善的系統(tǒng)及裝置，以獲得具有一定說服力的結(jié)果。學(xué)生們利用相應(yīng)的實驗平臺，可以完成畢業(yè)論文中相關(guān)的實驗，為畢業(yè)設(shè)計提供系統(tǒng)可實現(xiàn)的驗證平臺或所設(shè)計系統(tǒng)的靜動態(tài)特性研究平臺。

5.認(rèn)知實習(xí)和畢業(yè)實習(xí)類實驗

這類實驗一般是一些演示性實驗或者實物參觀，這類實驗所占學(xué)時雖少，但對設(shè)備的要求卻相對較高。設(shè)備一般以科研平臺或企業(yè)實際工業(yè)裝備或?qū)W校相關(guān)實踐中心先進設(shè)備為主，設(shè)備的利用率相對較低。

通過以上分析可知，運動控制系統(tǒng)不同類型的實驗對實驗設(shè)備的要求不同、設(shè)備利用率不同、對設(shè)備各方面的性能和功能要求也有差異，如何考慮諸多因素在滿足各種類型實驗的前提下來建設(shè)“運動控制系統(tǒng)”課程實踐環(huán)節(jié)的實驗平臺，并且還能適當(dāng)兼顧其他相關(guān)課程的部分實驗需求，滿足多模式環(huán)境下培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力的實驗平臺，[3]這也是一個值得探索且有一定實際意義的問題。[4]

三、運動控制系統(tǒng)實踐環(huán)節(jié)實驗平臺建設(shè)的總體規(guī)劃

根據(jù)上述分析，在制訂和實施“運動控制系統(tǒng)”課程實驗裝置、設(shè)備建設(shè)和改造的計劃時主要考慮了下列因素：

第一，滿足課程實驗所要求的設(shè)備，考慮課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計的實驗設(shè)備，考慮工程實訓(xùn)、實習(xí)類實驗設(shè)備。

第二，根據(jù)不同類型的實驗，考慮學(xué)生人數(shù)和分組人數(shù)確定實驗裝置的數(shù)量。

第三，在滿足課程實驗的前提下，考慮適當(dāng)擴展來完成課程設(shè)計類實驗，然后考慮再擴展?jié)M足畢業(yè)設(shè)計類實驗所要求的設(shè)備，這樣三類實驗設(shè)備確定之后，工程實訓(xùn)類實驗設(shè)備也只需要在此基礎(chǔ)上做適當(dāng)擴展就能滿足工程實訓(xùn)類實驗的要求，只要有了前面幾類實驗設(shè)備，認(rèn)知實習(xí)、畢業(yè)實習(xí)類實驗也就基本滿足要求了。這樣就能在有限資源條件下充分發(fā)揮設(shè)備的效能，提高實驗設(shè)備的利用率，克服原來設(shè)備僅僅考慮課程實驗，而很少或不考慮課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等類型實驗，使所投入的設(shè)備每年僅僅使用10個學(xué)時左右，其余時間空置，設(shè)備利用率低，而且無擴展功能，同時會造成重復(fù)投資，無法實現(xiàn)有限資源的優(yōu)化利用等問題。

第四，“運動控制系統(tǒng)”課程實踐環(huán)節(jié)實驗平臺建設(shè)的總體規(guī)劃除了需要考慮上述幾個因素之外，還要考慮課程內(nèi)容的要求。對于課程內(nèi)容，需要考慮課程各部分內(nèi)容所占學(xué)時的多少來考慮不同內(nèi)容應(yīng)該開設(shè)的實驗數(shù)量和實驗內(nèi)容。

一是在分析了課程內(nèi)容和學(xué)時后，根據(jù)所選用的教材（阮毅、陳維鈞主編，清華大學(xué)出版社出版的《運動控制系統(tǒng)》）內(nèi)容和課程設(shè)置情況，確定了課程實驗設(shè)置方案。本專業(yè)除了“運動控制系統(tǒng)”主干課程（48學(xué)時，其中實驗學(xué)時8學(xué)時）之外，還有一門“交流調(diào)速系統(tǒng)”（32學(xué)時，其中實驗學(xué)時6學(xué)時）的選修課，根據(jù)這兩門課程對實驗的要求，安排了課程內(nèi)的實驗5～6個，包括直流調(diào)速系統(tǒng)3個實驗，交流調(diào)速系統(tǒng)2個實驗，伺服系統(tǒng)1個實驗，基本上滿足了兩門課程的實驗要求。根據(jù)這些實驗內(nèi)容和要求，再綜合考慮專業(yè)招生人數(shù)，最后確定相應(yīng)的設(shè)備配置，并適當(dāng)考慮可擴展接口的配置，為后續(xù)增設(shè)實驗留有充分的空間。

二是考慮課程設(shè)計類課程所涉及的內(nèi)容，增設(shè)適當(dāng)擴展口及相應(yīng)設(shè)備，以實現(xiàn)相應(yīng)課程設(shè)計所要完成的某些系統(tǒng)性較強的實驗。“運動控制系統(tǒng)”課程設(shè)計基本上屬于交直流調(diào)速系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)的設(shè)計與仿真，相應(yīng)的實驗是在課程實驗基本平臺上的擴展或系統(tǒng)性更強的綜合性實驗，要從系統(tǒng)性、綜合性角度出發(fā)規(guī)劃一定的實驗項目，基于這些項目考慮設(shè)備的增加和功能的擴展。

三是從畢業(yè)設(shè)計的角度出發(fā)，考慮“運動控制系統(tǒng)”課程的實驗設(shè)備是一個比較困難的問題，因為與運動控制系統(tǒng)相關(guān)的畢業(yè)設(shè)計涵蓋的內(nèi)容多、專業(yè)綜合性更強、技術(shù)領(lǐng)域廣，這些因素為考慮相應(yīng)實驗設(shè)備的配置增加了一定的難度。首先考慮交直流調(diào)速系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)基本元器件和基本設(shè)備的配置，相應(yīng)多配置一些功能部件作為備件，以滿足畢業(yè)設(shè)計需要，如可以增加一部分通用的傳感器、觸摸屏、PLC等功能部件。其次考慮一些常見電機—負(fù)載系統(tǒng)或增加幾種典型裝置，如模擬數(shù)控加工的X—Y運動平臺、風(fēng)扇調(diào)速系統(tǒng)、水泵-電機液位控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)、倒立擺系統(tǒng)等。再次考慮專業(yè)和學(xué)科特色或方向來配置一定的實驗設(shè)備以滿足運動控制類畢業(yè)設(shè)計所需的實驗裝置。復(fù)次考慮“運動控制系統(tǒng)”課程與其他相關(guān)課程的交叉、綜合因素來設(shè)置一定的實驗內(nèi)容和裝置。最后考慮培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和系統(tǒng)開發(fā)能力來開設(shè)一定的實驗內(nèi)容與設(shè)備。

四是在上述規(guī)劃基礎(chǔ)上，根據(jù)工程實訓(xùn)和實習(xí)計劃可以通過接口擴展或功能拓展來增設(shè)適當(dāng)裝置和設(shè)備以實現(xiàn)“運動控制系統(tǒng)”課程的工程實訓(xùn)或?qū)嵙?xí)所需要的實驗及實驗裝置。

按照上述規(guī)劃來進行實踐環(huán)節(jié)實驗臺的建設(shè)，雖然能滿足該課程各類實驗所要求的功能，但隨著學(xué)生人數(shù)的變化或課程內(nèi)容的更新，相應(yīng)的實驗內(nèi)容可能需要做適當(dāng)調(diào)整。

四、結(jié)論

“運動控制系統(tǒng)”課程實踐環(huán)節(jié)實驗平臺建設(shè)是該課程建設(shè)的重要內(nèi)容，對提高學(xué)生的實踐動手能力至關(guān)重要。本文從課程特點和該課程實踐環(huán)節(jié)的各類實驗的特點分析入手，探索了該課程實踐環(huán)節(jié)實驗平臺建設(shè)的思路，以實現(xiàn)所建設(shè)的實驗平臺都能基本滿足該課程對幾類不同實驗的要求，并能適當(dāng)提高實驗平臺的利用率。

參考文獻：

[1]阮毅，陳維均.運動控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[2]王亞芳，吳曉.“運動控制系統(tǒng)”教學(xué)改革探索與實踐[J].高等教育研究，2008，（8）：48-50.

[3]高林，韓寧，劉文定，等.運動控制系統(tǒng)課程多環(huán)節(jié)教學(xué)模式的探索[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2008，（7）：78-79.

[4]鮑建宇，劉毅華，崔家林.運動控制課程群的實踐教學(xué)改革研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2010，（1）：113-115.

（責(zé)任編輯：孫晴）