虛實結合的運動控制系統課程教學探索與實踐

羅萍 呂霞付 李敏

【摘要】針對運動控制系統涉及內容知識點多，綜合性和實踐性強的特點，引入虛實結合的授課方法，在理論教學中和實踐教學前引入虛擬仿真教學，實踐教學中實際動手調試，同時鼓勵小作品制作，極大激發學生積極性，提升了教學質量，提高了學生能力。

【關鍵詞】運動控制 虛實結合 積極性 電機

【基金項目】重慶市2014年高等學校教學改革項目（143003）。

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）06-0220-01

運動控制系統（Motion Control System）也可稱作電力拖動控制系統（Control Systems of Electric Drive），其任務是通過對電動機電壓、電流、頻率等輸入電量的控制，來改變工作機械的轉矩、速度、位移等機械量，使各種工作機械按人們期望的要求運行，以滿足生產工藝及其他應用的需要[1]。

1.運動控制系統課程教學中的難點

首先，運動控制系統是電氣工程的一門主干課程，已成為電機學、電力電子技術、微電子技術、計算機控制技術、控制理論、信號檢測與處理技術等多門學科相互交叉的綜合性學科[1]。課程要求學生全面掌握課程相關專業知識，具有一定的綜合應用專業知識能力。因此，在教學中如何系統地、合理地貫穿相關知識點，深入淺出，讓學生不產生畏難心里，激發學生興趣，是教學中的第一個難點。

其次，運動控制系統不僅涉及多門學科，理論性強，而且工程性和實踐性強，如何使得課程的講解不太枯燥，既要結合課程進行相關控制的推導，例如單閉環比例、積分、比例積分轉速負反饋直流調速控制系統，其穩態誤差可以通過板書來進行，同時也可以結合多媒體來進行講解，但是，如何在有限的時間內既強化理論知識學習，同時強化動手能力和工程能力的提高，則是運動控制系統課程教學中的第二個難點。

最后，隨著科技的發展，包括自動控制理論、電力電子等的發展，運動控制系統課程的內容也在不斷地更新，因此授課中緊密結合科技發展、合理調整運動控制系統教學內容，則是課程教學中的第三個難點。

2.虛擬仿真軟件介紹

MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB下的SIMULINK軟件進行系統仿真是十分簡單和直觀的，用戶可以用圖形化的方法直接建立起仿真系統的模型，并通過SIMULINK環境中的菜單直接啟動系統的仿真過程，同時將結果在示波器上顯示出來。

3.虛實結合改革課堂教學方法

首先，在理論講課中利用MATALAB進行輔助教學，例如，運動控制中涉及到的多門學科問題，可以在講解過程中利用MATALAB軟件進行鞏固學習。對于涉及到的電機學知識，可以利用仿真軟件搭建其數學模型，將Simulink與S-function有機結合搭建電動機的仿真平臺，并圖形化的顯示其運行特性，幫助學生理解運動控制系統中的被控對象；對于涉及到的電力電子技術知識，可以利用軟件中的Power System工具箱查找電源、元件、電力電子、電機系統、連接器、測量、演示等模塊組，進行搭建，尤其是對于直流可調電源，逆變等，有必要利用仿真軟件進行仿真和分析，了解不同的電路結構，器件特性，以及不同的參數對輸出性能的影響，例如直流可調電源中單相半波、三相零式和三相橋式全控整流電路，不同結構下最大延遲時間的分析和比較，以及PWM斬波電路在不同開關頻率下的最大延遲時間比較與分析。對于控制理論，可以利用仿真軟件方便的構建對象數學模型，控制器的傳遞函數等，改變參數并獲得輸出特性。MATLAB /Simu link仿真軟件運用到《運動控制系統》教學中， 克服了傳統教學中講解內容抽象、手畫圖形不準確和不直觀、教學內容難以擴展等方面的不足[2-3]。

其次，將傳統實驗與虛擬實驗結合，將理論教學與實踐教學相結合，在實踐課程講授前下達任務，同時也可于理論課程提前布置仿真作業，鼓勵學生進行仿真、講解和討論。由于運動控制系統是一工程性和實踐性很強的課程，實驗實踐環節是培養學生綜合能力的重要環節，因此實際設計、調試、完善及問題處理非常重要。例如，異步電動機的矢量控制一直以來是學生非常難以理解的知識點， 可以采用Mtalab/Simulink進行仿真，掌握異步電動機工作原理、建模方法，了解磁鏈控制原理和方法，并進行控制、仿真和分析。通過虛擬實驗環境建立仿真電路模型， 讓枯燥的電路、 復雜的波形變得富有趣味；合理調整授課內容，通過對系統進行仿真，演示復雜系統各參量的調節過程， 從而極大調動學生的實驗積極性和和探究欲望。在此基礎上，再進入實驗室，在實驗臺上進行真實環境下的實驗、測試、控制等，讓學生實驗前、實驗中都清楚實驗方法和理論知識點，當實驗中出現異常時，或結果和數據出現問題時，能通過分析進行解決和判斷，從而使學生更加深入提高動手能力和知識綜合運用的能力。

最后，鼓勵學生進行各種運動控制的小制作，并進行評比，從而激勵學生的主動性和創新積極性。在教學中，可以給與適當平時成績加分鼓勵，經過實際授課和實施，同學們普遍積極性較高，能夠以組建比賽小組，完成直流電機、步進電機等的控制器的小制作，使枯燥的理論講授變得生動有趣。

4.總結

通過引入虛實結合的授課方法，在運動控制系統理論教學中引入虛擬仿真教學，幫助學生理解知識點，并在實踐教學中強化實際動手能力，同時鼓勵學生小作品制作，極大激發學生積極性，提升了教學質量，提高了學生能力。

參考文獻：

[1]阮毅，陳伯時. 電力拖動自動控制系統運動控制系統第4版[M].機械工業出，2010.1.

[2]沈艷霞， 趙芝璞， 紀志成. Matlab /Smiulink在運動控制系統教學中的應用[J]. 貴州大學學報（自然科學版）， 2005，22（2）：435-437.

[3]張樂平.對比、圖解方法在電機及電力拖動基礎課程教學中的應用[J].通化師范學院學報，2009，30（4）：98-100.