開設“運動控制技術”綜合實驗課程的設想＊

嚴剛峰 方 紅 楊 維 雷 霖 楊洪軍 趙 靜 郭 兵

(1.成都學院 四川成都 610106;2.四川大學 四川成都 610065)

運動控制技術是將強電技術與弱電技術相結合的電氣、自控類實用性很強的一門技術，是工業自動化、電氣工程及其自動化、測控技術與儀器等工科專業廣泛開設的一門重要的專業必修課。其內容所涵蓋的知識面很寬，專業知識的要求也很高，其綜合性與實踐性都很強。如何有效開設該課程的實驗，對于提高工科大學生的實際動手能力、分析與解決具體問題的能力都具有重要的意義，是一個值得深入探討的課題［1］-［3］。

一、現有運動控制技術實驗教學的主要問題

對于現有運動控制技術，其實驗教學的主要目的在于培養創新人才和提高電氣、自控類專業工科大學生的工程應用能力。而傳統的運動控制實驗教學存在如下主要問題:

教學模式普遍存在重理論、輕實踐，重知識、輕能力的狀況，這樣培養出來的大多數學生明顯缺乏工程創造性，特別是缺乏分析問題和解決問題的實際工作能力。在傳統的工科實驗教學中，學生的實驗一般都是按標準的程序，來驗證相應的基本原理，特別是實驗教材，對實驗所需的儀器設備、線路連接方法、具體的操作步驟、需要觀察的實驗內容、實驗的具體結果等，都會給予詳細的說明，這樣的實驗是無法達到培養學生的動手能力以及分析和解決具體問題能力，更不要談如何對學生的創新意識進行培養了。

運動控制理論的教學，所依附的理論課程較多，涉及“自動檢測與傳感器技術”、“數據采集與通信”、“自動控制理論”、“電機學”、“電力電子技術”、“程序設計”、“微機原理”等多門課程。這些課程各自都設置了相關實驗，其實驗又依附于各自理論課程的教學體系。這種傳統的實驗教學方法所存在的問題是:實驗課僅僅是對相關原理的簡單驗證，缺乏對所學的相關知識進行融會貫通，特別是對學生舉一反三能力的培養;同時不同課程的有些實驗，還存在部分實驗內容重復，缺乏完整性，僅局限于所學對應課程內容的實驗，而與其他密切相關課程的橫向聯系較少的突出問題。這樣不利于對學生綜合素質的培養，如綜合實驗能力、實驗設計能力和科學研究能力的培養，每一門課程的實驗結束時，學生僅僅是完成了某門課程的單一知識點的實驗，而對實驗課程的總體缺乏認識;實驗也存在內容陳舊老化，很難體現現代科學技術的發展水平;實驗室、實驗儀器被各門課程的實驗分別占有，利用率較低。

近年來，隨著電力電子技術、傳感器技術、微電子技術、微型計算機技術、永磁材料與電機控制理論的快速發展，運動控制技術也有了長足的進步，如何對運動控制實驗課程的教學，在內容和模式上進行改革探索。重點在于減少經典內容，增加現代最新的技術，能在有限的學時內，使學生掌握的運動控制理論知識、技能，能夠與時代的發展同步，是目前運動控制技術課程實驗教學存在的主要問題。

二、開設“運動控制技術”綜合實驗課程的設想

如何整合“自動檢測與傳感器技術”、“數據采集與通信”、“自動控制理論”、“電機學”、“電力電子技術”、“程序設計”、“微機原理”等多門課程與“運動控制技術”實驗課程密切相關的實驗內容，從被控對象的建模、控制信號的獲取與變換、自動控制算法的設計，到整個運動控制系統的建模、仿真、驗證以及最后的整個系統的性能分析，開設這樣一個完整的運動控制系統工程化實驗課程，達到有效提高學生的實際動手能力、分析與解決具體問題的能力。對于能力很強的學生，還可有效培養其科學研究的能力。下面簡要敘述開設“運動控制技術”綜合實驗課程的總體設想。

(一)運動控制綜合實驗設備的設計。可以考慮采用如圖1的原理框圖［4］來設計“運動控制技術”綜合實驗設備。其中鍵盤、顯示部分可以整合“微機原理”中的相關實驗;電源、制動、IGBT逆變部分可整合“電力電子技術”的相關實驗;被控電機部分可整合“電機學”中與被控電機的建模與測試的相關實驗，同時可考慮MATLAB軟件的運用;位置、電流、速度傳感器、故障檢測與保護部分可考慮結合“自動檢測與傳感器技術”來設計相關實驗;RS232、RS485、CAN通信部分可考慮結合“數據采集與通信”中的相關實驗來設置，I/0、模擬量輸入、嵌入式數字信號處理器部分實驗可以結合“自動控制原理”、“計算機控制技術”、“程序設計”、“微機原理”、“嵌入式技術”等課程的相關內容來設計，并運用MATLAB來完成控制算法的仿真、程序的編寫與調試。

圖1 “運動控制技術”綜合實驗板原理框圖

(二)開設實驗項目的設想。本著“厚基礎，寬口徑，求創新”的原則，可以考慮對舊的實驗教學體系進行全面革新。打破傳統的按單一課程開設各自實驗的教學模式，在控制科學與工程一級學科平臺上構建完整的、貫通的“運動控制技術”實驗課程的教學體系。實現“一體化、多層次、開放式”的理論基礎與專業技能相結合的綜合實驗教學新模式，重點體現出“基礎性、綜合性、實踐性、創新性”的特點。可以考慮從信號的檢測、傳輸、采集和處理，被控電機的建模與仿真，控制算法的設計與程序實現到整個運動控制系統的性能分析，這樣四個部分來設計完整的運動控制系統的工程化實驗項目，從而達到培養學生的實際動手能力、分析與解決具體問題的能力。

(三)實施的設想。可以考慮在大學四年級的上學期開設“運動控制技術”綜合實驗課程。考慮到學生已經學習了相關課程，并且相關課程實驗的整合過程也比較繁瑣，以及學生已學知識的遺忘情況，可以先以選修課的形式試行，待相關條件成熟，再將其以必修課的形式固定下來。總學時可控制在50學時左右。實施過程可先由學生通過對運動控制實驗電路板原理圖的理解，以熟悉電子電路的設計到制板，再到實物的全過程。考慮到運動控制實驗電路板設計的復雜性，可由實驗教師完成電路原理圖的繪制、印刷電路板的排版，學生全程參與這個過程。對于能力很強的學生，也可由學生設計出電路原理圖，待實驗教師審閱后再制板。先結合具體被控電機，通過建模與實際測試實驗，了解該電機的起動、制動和調速的特性，為設計相應控制算法奠定基礎;再通過數據采集與處理實驗，完成運動控制所必須的電流檢測、速度檢測、位置檢測的實驗設計以及檢測信號的去噪處理;最后在嵌入式芯片中設計出相應的控制算法，這一部分實驗，可以發揮學生的主動性，控制算法可由學生自主選擇，不僅僅是常規的PID算法，學生感興趣可以選擇其他的先進控制算法來實現電機的控制，達到充分調動學生的學習熱情、自學能力以及對未知領域進行獨立探索的積極性，有效提高工科學生綜合能力的培養效果。以50學時為例，“運動控制技術”綜合實驗課程可考慮這樣安排:運動控制實驗電路板制板以及調試過程安排10學時左右，被控電機的建模過程所涉及的實驗可安排8學時，信號檢測與去噪的實驗設計可安排8學時，控制算法設計可安排18學時，系統的性能分析與綜合實驗報告的撰寫可安排6學時左右。注意以上“運動控制技術”綜合實驗課程的學時安排僅僅是實驗室教學的學時，考慮到這一門綜合實驗課程時間跨度為一個學期，在充分調動學生對綜合實驗積極性的基礎上，有大量的課余時間可供學生完成資料的查找與理解，同時實驗室可建成開放式的管理模式，便于學生對實驗內容的實時調試。這樣在時間和條件上，完成“運動控制技術”綜合實驗課程是有保障的。

三、結束語

實驗教學的目的不僅僅是為了鞏固和驗證所學的理論知識，更為重要的是為了培養學生的動手能力、觀察能力、思維能力、創新能力以及獨立分析和解決問題的能力。本文分析了目前“運動控制技術”實驗課程教學中所存在的一些問題，提出打破現有運動控制學科傳統實驗課程的教學體系，開設“運動控制技術”綜合實驗課程的設想。這對于學生綜合素質的提高和創新能力的培養是有實際意義的，這種綜合的、探索式的實驗課程，充分凸顯了學生的學習主體地位，發揮了學生對做實驗的主動性和積極性，培養了學生對相關未知領域進行獨立探索的能力，與傳統實驗教學方式相比，這種探索設計性的實驗，對實驗教師的能力、實驗教材的內容以及實驗設備的性能都提出了更高的要求，需要進一步深入研究。

［1］汪方斌，陳 杰，胡宏祥，等.“控制電機”教學與研究［J］.中國電力教育，2010，(27).

［2］王景中，王月海.電類學生實踐與創新能力的實踐體系研究［J］.電氣電子教學學報，2010，32(5).

［3］方清城，羅中良，官 峰.《運動控制系統》的開放式實驗教學［J］.中山大學學報論叢，2005，25(1).

［4］嚴剛峰，嚴秀華，徐寧王景.電動變槳距半實物控制系統仿真測試平臺設計［J］.實驗技術與管理，2013，(7).