蒯松巖， 衡鳳平， 崔　鑫， 譚國俊， 鄧先明

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州 211116)

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基于Matlab的“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程教學(xué)改革

蒯松巖， 衡鳳平， 崔鑫， 譚國俊， 鄧先明

(中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院， 江蘇 徐州 211116)

摘要:本文介紹我校“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程進(jìn)行教學(xué)改革的思路。對Matlab仿真融入該課程課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及課程綜合訓(xùn)練整個(gè)過程進(jìn)行了探討。重點(diǎn)闡述了引入Matlab控制系統(tǒng)仿真的課堂理論教學(xué)、基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究式課程綜合訓(xùn)練三方面的內(nèi)容。

關(guān)鍵詞:運(yùn)動控制系統(tǒng);教學(xué)改革; Matlab

0引言

“運(yùn)動控制系統(tǒng)”是自動化專業(yè)的一門傳統(tǒng)專業(yè)課。課程內(nèi)容涉及許多抽象的控制理論知識，學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大[1，2]。“運(yùn)動控制系統(tǒng)”又是一門面向應(yīng)用的課程，與工程實(shí)際聯(lián)系緊密。如何將抽象的運(yùn)動控制系統(tǒng)理論知識與工程實(shí)際應(yīng)用很好的結(jié)合起來，是我們在教學(xué)中一直探索的問題。

Matlab是一款面向科學(xué)與工程的優(yōu)秀、高效的科學(xué)計(jì)算應(yīng)用軟件。一方面Matlab提供了面向系統(tǒng)傳遞函數(shù)、基于控制系統(tǒng)工具箱的仿真方法，對于建立動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)十分方便；另一方面Matlab提供了面向系統(tǒng)電氣原理的結(jié)構(gòu)圖，使用Power System工具箱便可進(jìn)行電路仿真工作[3]。

本文結(jié)合“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程教學(xué)方法的改革，將上述的Matlab兩種仿真工具融入課堂理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)及課程綜合訓(xùn)練整個(gè)教學(xué)過程，推進(jìn)了課程教學(xué)改革的進(jìn)行，取得了良好的教學(xué)效果。其思路是：將Matlab 仿真引入課堂教學(xué)，加強(qiáng)學(xué)生對理論知識的理解；利用Matlab虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力；指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究式課程綜合訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識的能力。

Matlab仿真在課程教學(xué)改革中的作用如圖1所示。

1課堂理論教學(xué)引入Matlab仿真

從控制系統(tǒng)角度來看，運(yùn)動控制系統(tǒng)中電力電子變換器、電動機(jī)和轉(zhuǎn)速反饋等各個(gè)物理環(huán)節(jié)都可

圖1　Matlab仿真在課程中的作用

以抽象為基于傳遞函數(shù)的控制系統(tǒng)模型。利用Matlab控制系統(tǒng)工具箱可以很方便地完成基于傳遞函數(shù)的控制系統(tǒng)性能分析和參數(shù)整定，并根據(jù)仿真結(jié)果對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行必要的修正和調(diào)整。因此，將Matlab控制系統(tǒng)仿真引入課堂，可以在課上隨時(shí)演示理論設(shè)計(jì)相對應(yīng)的Matlab仿真模型，增強(qiáng)學(xué)生對抽象理論知識的理解能力，改善教學(xué)效果。

具體操作為：在講到每一章的重點(diǎn)、難點(diǎn)，尤其是理論性比較強(qiáng)的問題時(shí)，增加與理論設(shè)計(jì)相對應(yīng)的Matlab控制系統(tǒng)仿真。如：講第二章“比例積分控制的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)”時(shí)，我們在課堂上利用Matlab軟件實(shí)現(xiàn)比例積分控制和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型等內(nèi)容。在仿真模型中，改變比例系數(shù)和積分系數(shù)，可以輕而易舉地得到振蕩、有靜差、無靜差、超調(diào)大或者啟動快等不同的轉(zhuǎn)速曲線。經(jīng)過比較可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性是一對矛盾，必須根據(jù)工程的要求，選擇一個(gè)合適的PI參數(shù)。在講第三章“轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)”時(shí)，利用Matlab演示雙閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真來直觀、方便地理解雙閉環(huán)起動過程的三個(gè)階段：不飽和、飽和和退飽和；特別是為了增強(qiáng)學(xué)生對工程設(shè)計(jì)方法的理解，通過課本中的工程設(shè)計(jì)例題，讓學(xué)生理解工程設(shè)計(jì)方法通常是在一定的近似條件下得到的。如果用Matlab軟件進(jìn)行仿真，可以根據(jù)仿真結(jié)果對設(shè)計(jì)參數(shù)方便地進(jìn)行修正和調(diào)整，這樣既驗(yàn)證了工程設(shè)計(jì)方法的有效性，同時(shí)也有助于學(xué)生增強(qiáng)課程理論知識和實(shí)際應(yīng)用之間聯(lián)系。

圖2是基于Matlab控制系統(tǒng)的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型。利用上述形象化課堂教學(xué)方法，將仿真研究引入課堂理論教學(xué)，促進(jìn)了學(xué)生對課程基本理論的理解和掌握。

2虛擬實(shí)驗(yàn)平臺上的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

以前，“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程的實(shí)驗(yàn)安排是完全

圖2　無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

圍繞課堂理論教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行的,共4 個(gè)實(shí)驗(yàn)( 3 個(gè)直流調(diào)速實(shí)驗(yàn), 1 個(gè)交流調(diào)速實(shí)驗(yàn)) ，每個(gè)實(shí)驗(yàn) 2個(gè)課時(shí)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用浙江天煌公司DJDK-1型實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置主電路基于晶閘管器件。其控制部分采用模擬調(diào)節(jié)器，比較直觀、形象，有利于學(xué)生掌握雙閉環(huán)控制的基本原理。但該裝置不能完成課本第三章中的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和更為復(fù)雜的交流電機(jī)矢量控制實(shí)驗(yàn)。我們考慮到Matlab軟件中POWER SYSTEM 工具箱無需對物理模型抽象化，就可以直接建立電氣系統(tǒng)物理仿真模型[4]。 因此，我們利用該工具箱建立了直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)、異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)等虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，開展補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)。

圖3為搭建好的交流電機(jī)矢量控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺。

圖3　交流電機(jī)矢量控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺

現(xiàn)在，該課程實(shí)驗(yàn)由原來的4個(gè)壓縮為2個(gè)，同時(shí)增加2個(gè)基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的上機(jī)實(shí)驗(yàn)。在上機(jī)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生在完成必做的基本實(shí)驗(yàn)后，還可以在其他實(shí)驗(yàn)室開放時(shí)間內(nèi)，完成自己感興趣的內(nèi)容，包括具體仿真模型如何搭建、仿真模型中關(guān)鍵點(diǎn)的信號是否正常等。此外，我們在課程網(wǎng)站上給出40多道與實(shí)驗(yàn)相關(guān)思考題，讓學(xué)生課外練習(xí)。例如：當(dāng)系統(tǒng)帶額定負(fù)載運(yùn)行，轉(zhuǎn)速反饋突然斷線，系統(tǒng)如何重新進(jìn)入的問題，電流調(diào)節(jié)器輸入電壓偏差是多少？等等。實(shí)踐證明學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺上機(jī)操作上投入了很大的熱情，許多學(xué)生在自己的計(jì)算機(jī)上將給出的思考題都做了一遍，碰到問題就向教師請教。

3研究型課程綜合訓(xùn)練

研究型課程綜合訓(xùn)練分三個(gè)階段：①在“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程開課時(shí)就給學(xué)生提出課程綜合訓(xùn)練的要求，給學(xué)生灌輸一種主動學(xué)習(xí)的思想，要求學(xué)生帶著想法和問題學(xué)習(xí)本課程；②在課程教學(xué)過程中不斷引導(dǎo)學(xué)生利用課程所學(xué)到的知識，結(jié)合訓(xùn)練課題探索和解決實(shí)際問題；③要求學(xué)生在課程結(jié)束考試后的一周內(nèi)，提交一份研究報(bào)告，對此次綜合訓(xùn)練進(jìn)行總結(jié)并作為總成績的一部分計(jì)入。

綜合訓(xùn)練的具體方式為：以3-4人一個(gè)小組，自由選擇課題。課題要求與本課程內(nèi)容相關(guān)、與實(shí)際問題相結(jié)合，理論設(shè)計(jì)結(jié)果必須有Matlab仿真驗(yàn)證，可以在實(shí)驗(yàn)室或自己計(jì)算機(jī)上完成。

這種課題研究式學(xué)習(xí)很受學(xué)生歡迎，他們利于課余時(shí)間進(jìn)行了諸如“應(yīng)用Matlab對直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化”、“基于Matlab的交流電機(jī)SVPWM控制實(shí)現(xiàn)”和“交流電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制仿真”等課題的研究。

教學(xué)實(shí)踐證明，學(xué)生通過多方面、多形式的Matlab實(shí)踐訓(xùn)練，增強(qiáng)了對理論知識的理解，加強(qiáng)了學(xué)習(xí)的主動性，學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐能力都得到顯著的提高。

4結(jié)語

本文將Matlab仿真融入“運(yùn)動控制系統(tǒng)”課程的課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)及課程設(shè)計(jì)等整個(gè)教學(xué)過程，重點(diǎn)闡述了引入Matlab控制系統(tǒng)仿真的課堂理論教學(xué)、基于虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究式課程綜合訓(xùn)練三個(gè)方面的內(nèi)容，促進(jìn)了課程教學(xué)改革的進(jìn)行，使學(xué)生的理論分析能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力得到進(jìn)一步的提高。

參考文獻(xiàn):

[1]陳伯時(shí).電力拖動自動控制系統(tǒng)--運(yùn)動控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[2]洪乃剛.電力拖動自動控制系統(tǒng)課程建設(shè)的實(shí)踐[J].馬鞍山：安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,20(1):78-79.

[3]于群，曹娜． Matlab /Simulink 電力系統(tǒng)建模與仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社， 2011．

[4]周淵深. 交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真[M].北京:中國電力出版社,2004.

Teaching Reform of Motion Control System Course Based on Matlab

KUAI Song-yan, HENG Feng-ping, CUI Xin, TAN Guo-jun, DENG Xian-ming

(SchoolofInformationandElectricalEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou211116,China)

Abstract:The teaching reform of Motion Control System course is put forward based on comprehensive use of Matlab. How Matlab simulation is used in the whole process of curriculum reform is discussed and the whole process includes classroom teaching, experiment teaching and comprehensive training. The teaching mode reform focuses on the three following aspects: introducing Matlab control system simulation into classroom teaching, experimental teaching on virtual experiment platform and researching comprehensive training.

Keywords:motion control system; teaching reform; Matlab

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-0686(2016)01-0029-03

中圖分類號:G642; TM921.5-4;

收稿日期:2015-04-13;修回日期:2015-07- 06基金項(xiàng)目：中國礦業(yè)大學(xué)校級教改項(xiàng)目(2014YB15)

第一作者：蒯松巖(1978年，男，博士，副教授，主要從事運(yùn)動控制系統(tǒng)相關(guān)教學(xué)和科研工作，E-mail：kuaisongyan@163.com