淺談運動控制系統課程實踐環節實驗臺建設

摘要：基于“運動控制系統”課程的特點和該課程實踐環節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的規劃方案應該考慮的主要因素，對“運動控制系統”課程實踐環節實驗平臺的建設進行了初步探索并提出了積極的建議。

關鍵詞：運動控制系統；課程特點；實驗平臺建設

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

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

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

“運動控制系統”課程是自動化、電氣工程及自動化專業的一門核心專業課程，其應用性、實踐性很強，因此對該課程實踐環節的建設是一個十分重要的問題。如何考慮各種綜合因素來規劃并實施實踐環節建設方案是進行該課程建設和提高該課程教學質量的關鍵。本文就“運動控制系統”課程實踐環節建設規劃和實施方面的一些相關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”、“現代控制理論”、“檢測技術與儀表”、“電機學”或“電機與拖動基礎”、“電力電子技術”、“微電子技術”、“計算機控制技術”等專業基礎課和專業課。課程的三大模塊即直流調速系統、交流調速系統、伺服系統，[1]自始至終貫穿了自動控制原理的基本知識，交流調速、伺服系統模型及坐標變換中要涉及現代控制理論中狀態空間法的知識，其他各門先行課程的知識也均在各章節都有呈現，所以“運動控制系統”是綜合應用上述各門課程知識來解決交直流調速和伺服系統建模、分析、設計與實現的一門綜合性很強的專業主干課程。[2]

2.工程背景強

在現代工農業裝備、現代軍工裝備、現代航空航天裝備中現代交通運輸工具以及現代社會生活中交直流調速和伺服系統隨處可見，從汽車、電動自行車、電風扇到機器人、數控設備、航天飛機、宇宙飛船等，交直流調速技術和伺服控制技術是這些裝備的關鍵技術之一，并且調速和伺服技術的優劣直接影響著整個系統或整個裝備的性能的優劣。

3.實踐性要求較高

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

4.實踐環節覆蓋的課程范圍較寬

“運動控制系統”課程的實踐環節包括課程實驗、課程設計、工程實訓、認知實習、畢業實習和畢業設計等，但各環節的學時安排多少有別，各個環節對教師和學生及對所需搭建的設備平臺也不盡相同，如何考慮各環節的設備投入、人員投入，使設備能做到物盡其用，發揮應有的效益，提高實踐環節的教學質量就是一個較難的問題。

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

二、課程的實踐環節分析

1.結合課程內容的課程實驗

該實驗學時大約占總課程的五分之一，是該課程實踐環節中最重要也是必須做的內容，該部分實驗一般由4～5個實驗組成，包括直流、交流調速和伺服系統內容，一般交直流調速各安排2個實驗，伺服系統安排1個實驗。實驗內容是根據課程內容安排一些基本特性、基本環節、基本系統的實驗內容，相比該課程其他實踐環節的難度較低，但卻是該課程的基礎實驗，占有重要的位置。

2.課程設計所涉及的實驗

“運動控制系統”課程設計所要完成的內容主要是調速系統的某些重要環節的設計實現、系統建模仿真，該類實驗是在課程實驗基礎上針對系統某一環節的具體設計，如調速系統控制器的設計與實現或者設計與仿真、變頻器的設計實現、簡單調速系統的設計仿真與實現等，這類實驗相對于課程實驗要復雜一些，因為其內容基本要體現一個簡單“系統”的部分內容或全部內容。

3.工程實訓類實驗

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

4.畢業設計類實驗

這類實驗一般占學時較多，實驗系統性、完整性較強，對設備的要求也較高，一般是運動控制系統各類實驗中對系統設備要求最高的一類實驗。從傳感器、控制器、驅動裝置、控制對象到其他輔助控制單元都要求具有完善的系統及裝置，以獲得具有一定說服力的結果。學生們利用相應的實驗平臺，可以完成畢業論文中相關的實驗，為畢業設計提供系統可實現的驗證平臺或所設計系統的靜動態特性研究平臺。

5.認知實習和畢業實習類實驗

這類實驗一般是一些演示性實驗或者實物參觀，這類實驗所占學時雖少，但對設備的要求卻相對較高。設備一般以科研平臺或企業實際工業裝備或學校相關實踐中心先進設備為主，設備的利用率相對較低。

通過以上分析可知，運動控制系統不同類型的實驗對實驗設備的要求不同、設備利用率不同、對設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“運動控制系統”課程實踐環節的實驗平臺，并且還能適當兼顧其他相關課程的部分實驗需求，滿足多模式環境下培養學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、運動控制系統實踐環節實驗平臺建設的總體規劃

根據上述分析，在制訂和實施“運動控制系統”課程實驗裝置、設備建設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備，考慮課程設計和畢業設計的實驗設備，考慮工程實訓、實習類實驗設備。

第二，根據不同類型的實驗，考慮學生人數和分組人數確定實驗裝置的數量。

第三，在滿足課程實驗的前提下，考慮適當擴展來完成課程設計類實驗，然后考慮再擴展滿足畢業設計類實驗所要求的設備，這樣三類實驗設備確定之后，工程實訓類實驗設備也只需要在此基礎上做適當擴展就能滿足工程實訓類實驗的要求，只要有了前面幾類實驗設備，認知實習、畢業實習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揮設備的效能，提高實驗設備的利用率，克服原來設備僅僅考慮課程實驗，而很少或不考慮課程設計、畢業設計等類型實驗，使所投入的設備每年僅僅使用10個學時左右，其余時間空置，設備利用率低，而且無擴展功能，同時會造成重復投資，無法實現有限資源的優化利用等問題。

第四，“運動控制系統”課程實踐環節實驗平臺建設的總體規劃除了需要考慮上述幾個因素之外，還要考慮課程內容的要求。對于課程內容，需要考慮課程各部分內容所占學時的多少來考慮不同內容應該開設的實驗數量和實驗內容。

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

二是考慮課程設計類課程所涉及的內容，增設適當擴展口及相應設備，以實現相應課程設計所要完成的某些系統性較強的實驗。“運動控制系統”課程設計基本上屬于交直流調速系統及伺服系統的設計與仿真，相應的實驗是在課程實驗基本平臺上的擴展或系統性更強的綜合性實驗，要從系統性、綜合性角度出發規劃一定的實驗項目，基于這些項目考慮設備的增加和功能的擴展。

三是從畢業設計的角度出發，考慮“運動控制系統”課程的實驗設備是一個比較困難的問題，因為與運動控制系統相關的畢業設計涵蓋的內容多、專業綜合性更強、技術領域廣，這些因素為考慮相應實驗設備的配置增加了一定的難度。首先考慮交直流調速系統及伺服系統基本元器件和基本設備的配置，相應多配置一些功能部件作為備件，以滿足畢業設計需要，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—負載系統或增加幾種典型裝置，如模擬數控加工的X—Y運動平臺、風扇調速系統、水泵-電機液位控制系統、變頻調速恒壓供水系統、倒立擺系統等。再次考慮專業和學科特色或方向來配置一定的實驗設備以滿足運動控制類畢業設計所需的實驗裝置。復次考慮“運動控制系統”課程與其他相關課程的交叉、綜合因素來設置一定的實驗內容和裝置。最后考慮培養學生創新能力和系統開發能力來開設一定的實驗內容與設備。

四是在上述規劃基礎上，根據工程實訓和實習計劃可以通過接口擴展或功能拓展來增設適當裝置和設備以實現“運動控制系統”課程的工程實訓或實習所需要的實驗及實驗裝置。

按照上述規劃來進行實踐環節實驗臺的建設，雖然能滿足該課程各類實驗所要求的功能，但隨著學生人數的變化或課程內容的更新，相應的實驗內容可能需要做適當調整。

四、結論

“運動控制系統”課程實踐環節實驗平臺建設是該課程建設的重要內容，對提高學生的實踐動手能力至關重要。本文從課程特點和該課程實踐環節的各類實驗的特點分析入手，探索了該課程實踐環節實驗平臺建設的思路，以實現所建設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[M].北京：清華大學出版社，2006.

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

[3]高林，韓寧，劉文定，等.運動控制系統課程多環節教學模式的探索[J].中國現代教育裝備，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改革研究[J].合肥工業大學學報（社會科學版），2010，（1）：113-115.

（責任編輯：孫晴）