基于MATLAB的電力拖動自動控制系統課程教學改革探討

◆王憲磊

基于MATLAB的電力拖動自動控制系統課程教學改革探討

◆王憲磊

針對電力拖動自動控制系統課程理論性和實踐性強的特點，從增強教學效果出發，在課堂教學和實驗教學中引入MATLAB仿真，將理論與實踐緊密結合，改變傳統教學中存在的不足，加深學生對課程學習內容的認識與理解，激發學生的學習興趣，增強教學效果。

MATLAB；電力拖動；自動控制系統

1 前言

電力拖動自動控制系統是電氣工程及其自動化和農業電氣化與自動化專業的一門重要的專業骨干課，涉及電機學、電力電子技術、自動控制原理、信號與系統、單片機原理及應用等眾多的專業基礎課程，屬于一門綜合性很強的課程，具有很強的理論性和實踐性。該課程以機械運動的驅動設備——電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執行機構，在自動控制理論指導下研究電力拖動系統的自動控制。鑒于該課程在專業課程體系中的綜合性和重要性，對該課程的教學改革非常有必要，通過引入MATLAB仿真軟件，將理論教學和實踐教學相結合，增強課程的教學效果。

2 該課程傳統教學存在的不足

該課程理論性強，涉及的專業基礎知識多，傳統教學中缺少教學互動，大部分是教師講，學生被動地學習。該課程涉及大量的公式推導，所以在傳統教學中，教師借助板書和多媒體講解公式時非常單調，學生根本沒興趣學習。還有該課程實踐性很強，大量的理論知識要結合實際的電力拖動系統進行講解。在傳統教學中，教師基本都是根據教材中的電力拖動示意圖來講，或者通過課件展示的圖來講解電力拖動系統的結構、組成和工作原理等，學生聽課太單一。關鍵是學生頭腦中缺乏電力拖動生產實踐的影子，對一些工程原理和過程還是無法深入理解。特別是該課程教學中經常要分析電力拖動系統的動態變化，在傳統的教學中靠板書畫圖太繁瑣，課堂學時有限，所以無法展示動態變化。這樣學生無法理解系統的動態過程，只能看到系統局部的變化，無法宏觀上理解電力拖動系統，只能結合教材中的圖片和文字說明加深記憶，沒有從根本上深入理解電力拖動的工作內涵。

在該課程的實驗教學中，傳統的實驗教學都屬于驗證性實驗，綜合性和設計性實驗基本沒有，學生就是在實驗臺上機械地進行接線，按部就班地完成實驗步驟，然后記錄實驗數據，分析實驗結果，簡單地驗證課本所學的理論知識。這種實驗教學過于簡單，學生不需要太多思考，就是簡單的接線、測數據、分析結果，無法鍛煉學生的創新思考能力，所以學生興趣不足，學習的主動性差，大部分學生都是應付實驗，實驗效果差。再加上實驗設備數量有限，學生人數多，每組實驗人數較多，實際實驗過程中，真正動手做實驗的學生較少，學生的實驗動手能力無法得到有效提高，導致實驗教學效果不理想。

鑒于電力拖動自動控制系統課程在傳統教學中存在的不足，引入MATLAB計算機軟件輔助教學，通過計算機仿真將該課程與實踐緊密結合，給學生建立更多的生產實踐的影子，讓學生在課堂上和實驗中把課程理論知識和實踐通過MATLAB仿真串聯起來，提高學生的學習興趣和主動性，提高該課程的教學質量。

3 基于MATLAB仿真教學改革

理論教學改革 結合電氣類專業人才培養方案的不斷修訂，電力拖動自動控制系統課程的學時不斷壓縮。目前，塔里木大學該課程總學時48，理論學時42，實驗學時6。考慮到該課程的理論性和實踐性較強，必須既重視理論教學，又重視實驗，在有限的學時內盡可能提高學生的理論知識水平和實驗技能，必須精選教學內容。

該課程主要介紹直流拖動系統和交流拖動系統兩大部分，先介紹直流電力拖動，再介紹交流電力拖動。講課中，把直流電力拖動作為基礎理論來重點講，因此，這是整個電力拖動的理論基礎，為后續的交流拖動打基礎。所以在教學中，對于直流拖動，重點給學生介紹拖動系統的基本概念，分析思路，進行拖動系統組成、工作原理的分析等。要簡化公式的推導，對于一些與實踐系統緊密結合的知識點，為了加深學生的理解和記憶，要采用MATLAB仿真，課堂中利用多媒體教學，通過對實際系統建立仿真模型，利用多媒體課件，將仿真模型在課堂上給學生展示，介紹系統的結構、組成和工作原理等。把實踐中的系統通過MATLAB仿真在課件中展示，使學生在聽課過程中腦海里始終有實際系統的影子，聽課中不會脫離實際系統，這樣聽課學習效果很好。

另外，通過仿真軟件，還可以展示系統的動態變化。比如，利用MATLAB建立一個實際的直流電力拖動系統仿真模型，然后利用軟件給仿真系統加入不同的輸入量，通過仿真可以觀察到系統輸出量的數值變化或者圖形曲線變化。這樣學生通過仿真系統學習理論知識非常直觀，更容易加深理解和記憶，能增強課堂學習效果。所以，對于交流電力拖動，要結合MATLAB仿真，精選典型的教學內容，選取典型的電力拖動實例，使學生通過日常生活中常見的典型拖動系統來學習課程的基礎知識，學生印象更加深刻。

對于另一部分交流電力拖動，其基本的拖動理論知識與直流拖動系統類似，區別就在于所用的電動機不同，用交流電動機取代了直流電動機。考慮到目前大部分的電力拖動都采用性能更好的交流拖動，由于學時有限，對于交流拖動系統，重點給學生介紹交流電力拖動的實際應用。對于其理論知識要簡單介紹，因為其理論與直流拖動類似。交流電力拖動系統中，要結合MATLAB仿真，精選實際中典型的一些交流拖動實例進行分析仿真，結合仿真系統來進行講解，加深學生的理解。

實驗教學改革 考慮到該課程的實驗學時較少，只有6個學時，再考慮實驗教學中除了讓學生在實驗臺動手接線，也要讓學生在實驗期間利用電腦做MATLAB仿真實驗，讓學生學會用MATLAB仿真軟件進行電力拖動自動控制系統的仿真，把實驗內容搬到仿真軟件里，改變傳統實驗教學中單一的學生單純接線驗證實驗，提高學生的實驗技能，也給學生普及MATLAB仿真軟件，讓學生學會用仿真軟件來輔助學習?？紤]到只有6學時實驗，精選三個實驗，分別是直流電動機的啟動和調速、直流電動機的反轉和制動、異步電動機的接觸器聯鎖正反轉控制。這三個實驗學生既要在電力拖動實驗臺進行動手接線操作，又要在電腦上用MATLAB進行仿真實驗，這樣實驗教學非常飽滿，既鍛煉了學生的動手能力，也提高了學生的仿真軟件應用能力，對于學生實驗技能的提高非常重要。

學生技能訓練改革 考慮到該課程實踐性強的特點，必須重視學生的技能訓練。傳統的課程技能訓練，大部分是教師通過布置教材中相關的習題作為課后作業，通過作業情況來檢驗學生的學習效果。這種訓練過于單一，只注重了學生的理論知識，不能引起學生的普遍重視，他們還是簡單地照搬課本理論知識來完成作業，思考度不夠，對創新思考能力不能充分挖掘。

教師應該要既重視理論知識的鞏固，也要考慮培養學生的思考能力和實際動手能力。教師在課堂和實驗教學中，應用MATLAB進行大量的仿真實例演示，學生對MATLAB仿真軟件也有了基本了解。因此，教師在該課程中為了提高學生的知識技能，可以結合教學內容給學生布置一些以MATLAB為基礎的電力拖動仿真作業，讓學生把課堂學到的仿真知識得以應用，加深對仿真軟件的學習。教師可以設置一個電力拖動控制目標和要求，讓學生自己確定設計方案，自行確定系統結構，自行計算系統中的元器件參數，然后利用MATLAB仿真軟件建立系統模型，觀察系統的仿真運行結果。

這樣的技能訓練，既讓學生對電力拖動理論知識加以鞏固，又使學生學會了用MATLAB仿真軟件建模，也對該軟件進一步學習，關鍵是學生把課堂學到的仿真分析方法得以實際應用，提高了創新能力和動手能力。

4 結束語

將MATLAB仿真軟件引入電力拖動自動控制系統課程教學中，使得在有限的學時下提高了課程教學信息量，同時使課程的理論與實踐相結合。通過仿真軟件的演示，給學生營造良好的教學環境，實現教與學良好互動的課堂氛圍，使學生更容易理解課程內容，加深學習印象，提高學習興趣。因此，該課程引入MATLAB仿真輔助教學后，可以增強教學效果，提高該課程的教學質量?！?/p>

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G642.0

B

1671-489X（2016）10-0014-02

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

作者：王憲磊，塔里木大學機械電氣化工程學院講師，研究方向為電力系統及其自動化（843300）。