電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程改革探討

王穎杰　伍小杰　文炳林

摘 要 本文在分析電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)傳統(tǒng)教學(xué)方式不足之處的基礎(chǔ)上，分別針對(duì)課程教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)兩方面分別闡述了相應(yīng)的改革方案，從改革方案收到的實(shí)際效果來看，該方案不僅提高了學(xué)生在該課程的學(xué)習(xí)積極性與主動(dòng)性，而且在分析和解決問題方面能舉一反三，達(dá)到課程改革需要的預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 課程教學(xué)改革 實(shí)踐教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.01.050

Discussion on Electric Drive Automatic Control System Course Reform

WANG Yingjie， WU Xiaojie， WEN Binglin

（School of Information and Electrical Engineering， China University of Mining and Technology， Xuzhou， Jiangsu 221116）

Abstract Based on the analysis on the shortcomings of traditional teaching methods of electric drive automatic control system course， this paper elaborates corresponding reform schemes directed at course teaching and practical teaching. From the effect of this reform， the scheme not only improves the students' enthusiasm and initiative when they learn the course， but also makes them draw differences about other case from one instance in analysis and problem solving， at the end， the course reform achieves the expected result.

Key words electric drive automatic control system; course teaching reform; practice teaching reform

0 引言

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)是一門電氣工程自動(dòng)化專業(yè)重點(diǎn)課程之一。具有知識(shí)點(diǎn)覆蓋面廣、綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)，綜合了電路、自動(dòng)控制原理、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、電機(jī)拖動(dòng)等相關(guān)知識(shí);如今全國(guó)用電總量的80%均供給大型工礦企業(yè)的交流電動(dòng)機(jī)，交流電機(jī)的控制是工礦企業(yè)自動(dòng)化的重要基礎(chǔ)，電機(jī)的控制技術(shù)從經(jīng)典的PI控制衍生到如今的模糊控制、智能控制以及如今技術(shù)比較成熟的直接轉(zhuǎn)矩控制。且控制器從模擬的運(yùn)算放大電路演變到如今的全數(shù)字控制器時(shí)代，這些技術(shù)的進(jìn)步使交流電機(jī)在大型工廠企業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。

針對(duì)該課程在實(shí)際系統(tǒng)的強(qiáng)實(shí)用性，本文從分析我校在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程教學(xué)方案的不足入手，分別就理論教學(xué)、實(shí)踐環(huán)節(jié)等兩個(gè)方面深入探討該課程的改革方案，并就改革方案的具體實(shí)施提出建設(shè)性的意見。

1 傳統(tǒng)教學(xué)方案存在的問題

我校從電氣工程專業(yè)成立之初就開設(shè)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)這一課程，針對(duì)該課程的強(qiáng)綜合性、工程實(shí)用性等特點(diǎn)，從起初的純理論教學(xué)演變?yōu)槔碚撆c實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方式，如今該課程理論教學(xué)實(shí)踐為60個(gè)學(xué)時(shí)，實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)時(shí)間為24個(gè)學(xué)時(shí)。總結(jié)多年來的教學(xué)實(shí)踐可以看出，該課程傳統(tǒng)教學(xué)方案中存在的不足主要有如下幾點(diǎn)：

一是課程所學(xué)的內(nèi)容更新速度快。上世紀(jì)80年代，理論教學(xué)的主要內(nèi)容集中在直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)方面，其控制系統(tǒng)由一系列的運(yùn)放搭建的模擬控制電路;到90年代交流調(diào)速系統(tǒng)日趨成熟，從半控型的晶閘管調(diào)速系統(tǒng)到基于全控型器件MOSFET、IGBT等組成的PWM調(diào)速系統(tǒng)逐漸占據(jù)了市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，此時(shí)控制器已進(jìn)入了全數(shù)字時(shí)代，由運(yùn)放組成的模擬控制電路被完全取代。如今在課程教學(xué)中，直流調(diào)速與交流調(diào)速部分的教學(xué)部分各占50%，這使直流部分比較落后的技術(shù)在課程教學(xué)中占有比較重要的地位，理論教學(xué)的合理性值得探討。

二是本課程理論與實(shí)踐的聯(lián)系緊密，工程實(shí)用性強(qiáng)。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)講授的交直流調(diào)速系統(tǒng)幾乎包含了所有的工業(yè)應(yīng)用，傳統(tǒng)的教學(xué)方法一般是從系統(tǒng)組成、各個(gè)單元的作用、系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化等幾個(gè)方面進(jìn)行;從教學(xué)后的實(shí)際效果反饋來看，學(xué)完整門課程后，大多數(shù)學(xué)生的思維仍局限于以電機(jī)轉(zhuǎn)速為控制對(duì)象的調(diào)速系統(tǒng)，對(duì)該課程教學(xué)意義的認(rèn)識(shí)過于狹隘，不利于學(xué)生知識(shí)面的拓寬。

三是本課程的教學(xué)目標(biāo)為培養(yǎng)學(xué)生分析、解決實(shí)際工程應(yīng)用的能力。從我校電氣工程自動(dòng)化專業(yè)近幾年的就業(yè)去向來看，大多數(shù)畢業(yè)生的就業(yè)去向?yàn)閷?shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)際工程應(yīng)用中不僅需要相關(guān)人員懂得設(shè)備故障后的應(yīng)急處理，而且需要工程人員具備分析原因、排除故障的能力。然而實(shí)際教學(xué)中對(duì)該方面的內(nèi)容提及較少，學(xué)生缺乏對(duì)不同廠家提供的成套設(shè)備的共性認(rèn)識(shí)即通用原理的認(rèn)知，學(xué)校教學(xué)培養(yǎng)與實(shí)際工程應(yīng)用有所脫節(jié)。

四是在課程理論教學(xué)的同時(shí)安排實(shí)驗(yàn)課程，實(shí)驗(yàn)課程的安排是對(duì)理論知識(shí)檢驗(yàn)的最好方式。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)共安排16學(xué)時(shí)，涵蓋整個(gè)交直流調(diào)速系統(tǒng)，每次實(shí)驗(yàn)將3～4人分為一組，既鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，又提高了學(xué)生之間的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。但由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，目前仍無法完成諸如基于矢量控制的交流調(diào)速等高性能的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，所以引進(jìn)或自行研制能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成為當(dāng)前的必要工作之一。

2 課程教學(xué)方法的改革探討

如前文所述，由于電力電子技術(shù)以及數(shù)字控制器的發(fā)展，數(shù)字式交流調(diào)速系統(tǒng)已逐漸取代直流調(diào)速系統(tǒng)，相應(yīng)的課程教學(xué)重點(diǎn)作相應(yīng)的修改，例如在直流調(diào)速系統(tǒng)中重點(diǎn)介紹雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其控制器參數(shù)工程設(shè)計(jì)方法，對(duì)工業(yè)應(yīng)用中已不常見的單閉環(huán)控制、邏輯無環(huán)流控制等部分內(nèi)容只作簡(jiǎn)要介紹或直接刪除，交流部分從數(shù)學(xué)模型的推到入手，重點(diǎn)介紹交流電機(jī)的矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等實(shí)際工程中經(jīng)常采用的數(shù)字控制算法的原理及實(shí)現(xiàn)方法。

其次，在課程教學(xué)中適量穿插工程實(shí)例的講解。在學(xué)生掌握基本原理、控制策略等方面的內(nèi)容后，結(jié)合老師的研究課題或國(guó)內(nèi)外典型工程，講解整個(gè)系統(tǒng)的組成、各部分的工作原理、控制策略的實(shí)現(xiàn)方法、實(shí)際工程的注意事項(xiàng)等方面的內(nèi)容，讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)、控制器設(shè)計(jì)等方面作理論分析，對(duì)系統(tǒng)的整體架構(gòu)有感性的認(rèn)識(shí)，同時(shí)加深了學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的印象。

在現(xiàn)有的教學(xué)方案中，學(xué)生的思維似乎被禁錮在以轉(zhuǎn)速為控制對(duì)象的交流調(diào)速系統(tǒng)中，其實(shí)際應(yīng)用并不僅限于此，諸如在數(shù)控機(jī)床等伺服控制系統(tǒng)應(yīng)用也比較廣泛，且在控制學(xué)原理上與交流調(diào)速系統(tǒng)保持一致。在教學(xué)中應(yīng)添加張力控制、位置控制等章節(jié)以增加學(xué)生的知識(shí)面。把電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程作為控制原理與計(jì)算機(jī)應(yīng)用的典型實(shí)例擴(kuò)大改課程的知識(shí)覆蓋面，這對(duì)課程改革和學(xué)科建設(shè)都具有重要的意義。

3 課程實(shí)踐方案的改進(jìn)

驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)共同組成電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本實(shí)踐環(huán)節(jié)，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)主要包括單、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)等;設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)主要是基于晶閘管的三相異步電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn);課程設(shè)計(jì)則是根據(jù)電子電工實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的現(xiàn)有條件，自主擬定實(shí)驗(yàn)方案，3～4周的開放性實(shí)驗(yàn)條件完成課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容。針對(duì)我校的具體情況，提出如下改革意見：

實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書為學(xué)生完成驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)提供必要的理論指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容一般包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成及原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、預(yù)習(xí)要求、注意事項(xiàng)等幾部分內(nèi)容。但實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書只告訴學(xué)生該如何做實(shí)驗(yàn)，沒有引導(dǎo)學(xué)生去思考為什么這么做以及除了此方法有沒有別的實(shí)現(xiàn)方法等問題，今后在更新實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容時(shí)，需要在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中重點(diǎn)步驟中添加2～3個(gè)思考題，且思考題的內(nèi)容不僅要緊密結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)，而且要引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考或通過資料的查詢了解其成因，這樣能使學(xué)生跳出所有情況都基于純理想狀態(tài)的思想禁錮，從而達(dá)到舉一反三的良好效果。

目前我校電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的所有實(shí)驗(yàn)均是在天煌GJK型教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成的，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配備OMRON變頻器，能完成諸如交直流SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、三相異步電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)以及簡(jiǎn)單的開放性實(shí)驗(yàn)。但該平臺(tái)的變頻器是基于半控型電力電子器件—晶閘管，無法完成目前交流電機(jī)普遍采用的矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制的復(fù)雜控制算法，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的跟新?lián)Q代提上日程。目前正考慮引進(jìn)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器是美國(guó)國(guó)家儀器（National Instruments）的NI compact RIO嵌入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配備了實(shí)時(shí)處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FPGA）、模擬和數(shù)字I/O以及更多的內(nèi)置外設(shè)，可用于實(shí)現(xiàn)自定制嵌入式控制和監(jiān)控應(yīng)用。且基于LabVIEW的圖形化軟件編程使系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)更加方便，該控制系統(tǒng)在電機(jī)控制、無功補(bǔ)償、雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制與實(shí)時(shí)仿真等多個(gè)領(lǐng)域不乏成功案例。通過引進(jìn)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將極大地提高電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的教學(xué)能力，使學(xué)生能在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成諸如基于SVPWM變頻調(diào)速、直接轉(zhuǎn)矩控制等復(fù)雜控制算法，使學(xué)生的動(dòng)手能力、分析解決問題的能力以及創(chuàng)新能力都得以提升。

為提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，通常學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)之前都需要先寫預(yù)習(xí)報(bào)告，在完成實(shí)驗(yàn)后需寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，通過最后提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完成情況評(píng)定學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)，這種評(píng)價(jià)方式對(duì)學(xué)生的能力判定不夠全面;在今后實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)體系中，需詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)過程中各個(gè)學(xué)生的具體表現(xiàn)與撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告綜合評(píng)定學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績(jī)，這種評(píng)定方式綜合考慮了學(xué)生的動(dòng)手能力與解決實(shí)際問題的能力，更具有合理性。

為充分運(yùn)用新引進(jìn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可結(jié)合老師具體的科研項(xiàng)目，給出與此相關(guān)的綜合性研究畢業(yè)設(shè)計(jì)課題，讓有攻讀碩士研究生的本科生提早進(jìn)入研究課題，不僅提高了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容的銜接也起了重大的作用。

4 結(jié)論

本文首先闡述了電力拖動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)傳統(tǒng)教學(xué)方式所存在的問題，針對(duì)問題的所在分別從理論課程教學(xué)和課程實(shí)踐兩個(gè)方面提出相應(yīng)的改革建議。就理論教學(xué)而言，給出諸如交流調(diào)速與直流調(diào)速的側(cè)重點(diǎn)調(diào)整、穿插工程實(shí)例、知識(shí)點(diǎn)擴(kuò)展等方面的建設(shè)性意見。實(shí)踐方面從實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的更新、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改造升級(jí)、實(shí)驗(yàn)成績(jī)的評(píng)定等方面探討了提高學(xué)生動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力以及分析解決問題的能力的方法。通過學(xué)生的普遍反映來看，教學(xué)方式的改進(jìn)使學(xué)生不再是被動(dòng)地接受知識(shí)，而是主動(dòng)地接受新知識(shí)，極大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，教學(xué)方式改革效果頗為明顯。

基金項(xiàng)目：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2015年學(xué)校教育教學(xué)改革與建設(shè)一般項(xiàng)目（2015YB13）

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