面向工程認(rèn)證的“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”教學(xué)設(shè)計(jì)

付興建

【摘 要】在我校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)工程教育認(rèn)證之際，開(kāi)展了“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程的教學(xué)改革研究。運(yùn)用成果導(dǎo)向教育的概念，修訂了教學(xué)大綱，明確了課程的任務(wù)和特點(diǎn)。結(jié)合我校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，確定了畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)和“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程所支持的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)。介紹了本課程課程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

【關(guān)鍵詞】工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證;運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng);課程考核;達(dá)成度評(píng)價(jià)

中圖分類(lèi)號(hào)： G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）34-0040-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.34.013

0 引言

2016年6月，在馬來(lái)西亞吉隆坡舉行的國(guó)際工程聯(lián)盟會(huì)議上，中國(guó)通過(guò)了加入華盛頓協(xié)議的申請(qǐng)，并成為第18個(gè)華盛頓協(xié)議的正式成員。 這表明中國(guó)的工程教育在人才培養(yǎng)類(lèi)型和質(zhì)量方面得到了國(guó)際公認(rèn)[1-4]。我校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)在2011年開(kāi)始“卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”，與研華科技、泛華科技等一些企業(yè)，建立了校企合作的人才培養(yǎng)模式，通過(guò)多年的努力，自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的學(xué)生在工程能力培養(yǎng)方面，取得了很好的成績(jī)，專(zhuān)業(yè)教師的工程教育水平也有所提高。在此基礎(chǔ)上，2016年10月，自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)開(kāi)始啟動(dòng)工程教育認(rèn)證申請(qǐng)，2017年11月專(zhuān)家進(jìn)校現(xiàn)場(chǎng)考查評(píng)估，2018年6月獲得中國(guó)工程教育認(rèn)證證書(shū)，有效期2018年-2023年（有條件）。2018年，通過(guò)了教育部教育卓越計(jì)劃的驗(yàn)收。

工程教育的基本要求是基于成果為導(dǎo)向的OBE教育。借鑒現(xiàn)有的改革和探索經(jīng)驗(yàn)，考慮到北京信息工程大學(xué)自動(dòng)化信息與控制專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，從工程應(yīng)用和創(chuàng)新自動(dòng)化人才培訓(xùn)的需求出發(fā)[5-6]， 結(jié)合教學(xué)中的實(shí)踐和體會(huì)，課程組重新定義了符合工程教育認(rèn)證中規(guī)定的畢業(yè)要求課程提綱。

結(jié)合工程認(rèn)證中對(duì)學(xué)生的畢業(yè)要求，強(qiáng)調(diào)“以學(xué)生為中心”的思想，開(kāi)展學(xué)生理論知識(shí)學(xué)習(xí)、工程問(wèn)題求解和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。教學(xué)中不僅注重學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)和難點(diǎn)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，還注重學(xué)生對(duì)于知識(shí)探究能力的培養(yǎng)。

1 課程的任務(wù)與特點(diǎn)

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)”課程是我們學(xué)校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的必修課程。基于電力電子技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)的基本規(guī)律和靜態(tài)動(dòng)態(tài)分析方法原理，特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。通過(guò)實(shí)例和實(shí)驗(yàn)了解有關(guān)工程實(shí)際問(wèn)題，為學(xué)生以后設(shè)計(jì)和分析其他自動(dòng)控制系統(tǒng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本課程在第3學(xué)年的第2學(xué)期開(kāi)設(shè)。特點(diǎn)是跟蹤運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，以實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向，重點(diǎn)講解雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng)。由于本課程綜合性較強(qiáng)，涉及電機(jī)拖動(dòng)、電力電子及控制理論等多方面的知識(shí)，要求學(xué)生有較好的理論基礎(chǔ)知識(shí)及實(shí)際的動(dòng)手能力。本課程的難點(diǎn)是對(duì)交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的理解，這是矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)。本課程涉及面廣，包括直流電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)及同步機(jī)的控制，尤其是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制有一定的深度，通過(guò)講解一些實(shí)際應(yīng)用來(lái)幫助學(xué)生更好的理解。

2 課程支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)

經(jīng)過(guò)課程組集體學(xué)習(xí)、調(diào)研、多輪次的研討，結(jié)合我校專(zhuān)業(yè)建設(shè)、就業(yè)等情況，我校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程支撐的畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)如下：

1.3能將自動(dòng)控制系統(tǒng)認(rèn)知及系統(tǒng)思維知識(shí)用于自動(dòng)化領(lǐng)域復(fù)雜工程問(wèn)題的分析、設(shè)計(jì)、控制、運(yùn)行和改進(jìn)等過(guò)程中。

1.6能將自動(dòng)化工程知識(shí)用于自動(dòng)化領(lǐng)域的工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制、判斷、優(yōu)化等過(guò)程中;

3.3具有控制系統(tǒng)組態(tài)、軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試能力。

4.3具有綜合分析實(shí)驗(yàn)假設(shè)、實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、理論模型和工程實(shí)際表象，且探尋解決方案能力。

5.3具有自動(dòng)化儀器/儀表/裝置的使用能力及自動(dòng)化系統(tǒng)工程的調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)能力。

3 理論、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)教學(xué)目標(biāo)的確定

理論環(huán)節(jié)教學(xué)目標(biāo)：

理論目標(biāo)1：能夠利用反饋控制理論構(gòu)建典型交直流調(diào)速控制系統(tǒng)，分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能，設(shè)計(jì)控制器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，分析系統(tǒng)的運(yùn)行指標(biāo)。

理論目標(biāo)2：能夠根據(jù)系統(tǒng)提出的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，采用波特圖方法、典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真方法合理選擇、優(yōu)化控制器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)。

理論目標(biāo)3：能夠在MATLAB 及Simulink環(huán)境下構(gòu)建交直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，編寫(xiě)仿真程序，調(diào)試程序，并分析系統(tǒng)的性能。并能根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)果，調(diào)整、優(yōu)化控制器的參數(shù)。并根據(jù)仿真結(jié)果預(yù)先設(shè)計(jì)控制器參數(shù)，為實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)教學(xué)目標(biāo)：

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)1：能夠根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，搭建轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路。能夠分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲取系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、電壓及電流等物理量的波形圖。分析系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)性能，和預(yù)期目標(biāo)相比較，調(diào)整控制器的參數(shù)，記錄對(duì)系統(tǒng)性能的影響，分析理論與實(shí)驗(yàn)操作的差別。探尋改善系統(tǒng)性能指標(biāo)的方案。

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)2：能夠熟練使用交直流電機(jī)及測(cè)量?jī)x表等裝置，熟練進(jìn)行參數(shù)及型號(hào)的選擇及計(jì)算。并對(duì)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障予以檢測(cè)及維護(hù)。

4 課程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》主要包括兩部分內(nèi)容：直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)。因此，本課程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)也分成2個(gè)子項(xiàng)目，課程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)內(nèi)容：

（1）在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下編寫(xiě)轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真程序，獲取轉(zhuǎn)速及電流的波形圖，分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。調(diào)整轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，觀察結(jié)構(gòu)及參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

（2）在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下編寫(xiě)SPWM交流變壓變頻控制的仿真程序，獲取三相PWM逆變器雙極性SPWM波形，包括逆變器的三相輸出電壓、電機(jī)的線(xiàn)電壓及相電壓的波形。觀察正弦調(diào)制波的頻率與期望的輸出電壓波的頻率之間的關(guān)系。調(diào)整三角載波的頻率，觀察載波比的變化對(duì)SPWM波形的影響。

5 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步掌握直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理;掌握單閉環(huán)系統(tǒng)、雙閉環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電流等參數(shù)的波形分析及調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)整方法。掌握交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本工作原理，熟悉變頻調(diào)速方法。

主要設(shè)備是交直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)考核辦法：

實(shí)驗(yàn)報(bào)告：本門(mén)課程對(duì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求（應(yīng)包括對(duì)報(bào)告內(nèi)容的要求），內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)的目的，實(shí)驗(yàn)的方案，實(shí)驗(yàn)用到的設(shè)備，實(shí)驗(yàn)步驟，以及必要的結(jié)論。

考核方式：根據(jù)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備情況，實(shí)驗(yàn)情況及實(shí)驗(yàn)報(bào)告完成情況，及答辯情況進(jìn)行考核。考核成績(jī)按20%計(jì)入課程成績(jī)。

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