电力拖动自动控制系统课程改革探讨
中图分类号：G424 文献标识码：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
电力拖动自动控制系统是一门电气工程自动化专业重点课程之一。具有知识点覆盖面广、综合性强等特点，综合了电路、自动控制原理、现代电力电子技术、电机拖动等相关知识;如今全国用电总量的80%均供给大型工矿企业的交流电动机，交流电机的控制是工矿企业自动化的重要基础，电机的控制技术从经典的PI控制衍生到如今的模糊控制、智能控制以及如今技术比较成熟的直接转矩控制。且控制器从模拟的运算放大电路演变到如今的全数字控制器时代，这些技术的进步使交流电机在大型工厂企业的应用越来越广泛。
针对该课程在实际系统的强实用性，本文从分析我校在电力拖动自动控制系统课程教学方案的不足入手，分别就理论教学、实践环节等两个方面深入探讨该课程的改革方案，并就改革方案的具体实施提出建设性的意见。
1 传统教学方案存在的问题
我校从电气工程专业成立之初就开设电力拖动自动控制系统这一课程，针对该课程的强综合性、工程实用性等特点，从起初的纯理论教学演变为理论与实践相结合的教学方式，如今该课程理论教学实践为60个学时，实践环节的教学时间为24个学时。总结多年来的教学实践可以看出，该课程传统教学方案中存在的不足主要有如下几点：
一是课程所学的内容更新速度快。上世纪80年代，理论教学的主要内容集中在直流电机调速系统方面，其控制系统由一系列的运放搭建的模拟控制电路;到90年代交流调速系统日趋成熟，从半控型的晶闸管调速系统到基于全控型器件MOSFET、IGBT等组成的PWM调速系统逐渐占据了市场的主导地位，此时控制器已进入了全数字时代，由运放组成的模拟控制电路被完全取代。如今在课程教学中，直流调速与交流调速部分的教学部分各占50%，这使直流部分比较落后的技术在课程教学中占有比较重要的地位，理论教学的合理性值得探讨。
二是本课程理论与实践的联系紧密，工程实用性强。电力拖动自动控制系统讲授的交直流调速系统几乎包含了所有的工业应用，传统的教学方法一般是从系统组成、各个单元的作用、系统的工作原理、系统的参数设计与优化等几个方面进行;从教学后的实际效果反馈来看，学完整门课程后，大多数学生的思维仍局限于以电机转速为控制对象的调速系统，对该课程教学意义的认识过于狭隘，不利于学生知识面的拓宽。
三是本课程的教学目标为培养学生分析、解决实际工程应用的能力。从我校电气工程自动化专业近几年的就业去向来看，大多数毕业生的就业去向为实际工业现场，实际工程应用中不仅需要相关人员懂得设备故障后的应急处理，而且需要工程人员具备分析原因、排除故障的能力。然而实际教学中对该方面的内容提及较少，学生缺乏对不同厂家提供的成套设备的共性认识即通用原理的认知，学校教学培养与实际工程应用有所脱节。
四是在课程理论教学的同时安排实验课程，实验课程的安排是对理论知识检验的最好方式。电力拖动自动控制系统共安排16学时，涵盖整个交直流调速系统，每次实验将3～4人分为一组，既锻炼了学生的动手能力，又提高了学生之间的团队协作能力。但由于实验条件的限制，目前仍无法完成诸如基于矢量控制的交流调速等高性能的系统实验，所以引进或自行研制能实现复杂控制算法的实验平台成为当前的必要工作之一。 2 课程教学方法的改革探讨
如前文所述，由于电力电子技术以及数字控制器的发展，数字式交流调速系统已逐渐取代直流调速系统，相应的课程教学重点作相应的修改，例如在直流调速系统中重点介绍双闭环直流调速系统及其控制器参数工程设计方法，对工业应用中已不常见的单闭环控制、逻辑无环流控制等部分内容只作简要介绍或直接删除，交流部分从数学模型的推到入手，重点介绍交流电机的矢量控制、直接转矩控制等实际工程中经常采用的数字控制算法的原理及实现方法。
其次，在课程教学中适量穿插工程实例的讲解。在学生掌握基本原理、控制策略等方面的内容后，结合老师的研究课题或国内外典型工程，讲解整个系统的组成、各部分的工作原理、控制策略的实现方法、实际工程的注意事项等方面的内容，让学生运用所学知识对实际系统参数设计、控制器设计等方面作理论分析，对系统的整体架构有感性的认识，同时加深了学生对所学知识的印象。
在现有的教学方案中，学生的思维似乎被禁锢在以转速为控制对象的交流调速系统中，其实际应用并不仅限于此，诸如在数控机床等伺服控制系统应用也比较广泛，且在控制学原理上与交流调速系统保持一致。在教学中应添加张力控制、位置控制等章节以增加学生的知识面。把电力拖动自动控制系统课程作为控制原理与计算机应用的典型实例扩大改课程的知识覆盖面，这对课程改革和学科建设都具有重要的意义。
3 课程实践方案的改进
验证性实验、设计性实验与课程设计共同组成电力拖动自动控制系统的基本实践环节，验证性实验主要包括单、双闭环直流调速系统实验、SPWM变频调速系统等;设计性实验主要是基于晶闸管的三相异步电机的调压调速系统实验;课程设计则是根据电子电工实验教学中心的现有条件，自主拟定实验方案，3～4周的开放性实验条件完成课程设计的内容。针对我校的具体情况，提出如下改革意见：
实验指导书为学生完成验证性实验提供必要的理论指导，实验指导书的内容一般包括实验目的、实验系统组成及原理、实验内容、预习要求、注意事项等几部分内容。但实验指导书只告诉学生该如何做实验，没有引导学生去思考为什么这么做以及除了此方法有没有别的实现方法等问题，今后在更新实验报告内容时，需要在实验内容中重点步骤中添加2～3个思考题，且思考题的内容不仅要紧密结合实际系统，而且要引导学生独立思考或通过资料的查询了解其成因，这样能使学生跳出所有情况都基于纯理想状态的思想禁锢，从而达到举一反三的良好效果。
目前我校电力拖动自动控制系统的所有实验均是在天煌GJK型教学实验平台上完成的，该实验平台配备OMRON变频器，能完成诸如交直流SPWM变频调速系统实验、三相异步电机调压调速系统实验以及简单的开放性实验。但该平台的变频器是基于半控型电力电子器件―晶闸管，无法完成目前交流电机普遍采用的矢量控制、直接转矩控制的复杂控制算法，实验设备的跟新换代提上日程。目前正考虑引进的教学实验仪器是美国国家仪器（National Instruments）的NI compact RIO嵌入式实验教学平台，该实验平台配备了实时处理器、现场可编程逻辑门阵列（FPGA）、模拟和数字I/O以及更多的内置外设，可用于实现自定制嵌入式控制和监控应用。且基于LabVIEW的图形化软件编程使系统的软件设计更加方便，该控制系统在电机控制、无功补偿、双馈风力发电系统的控制与实时仿真等多个领域不乏成功案例。通过引进该实验平台将极大地提高电工电子实验教学中心的教学能力，使学生能在实验平台上完成诸如基于SVPWM变频调速、直接转矩控制等复杂控制算法，使学生的动手能力、分析解决问题的能力以及创新能力都得以提升。
为提高实验教学质量，通常学生在做实验之前都需要先写预习报告，在完成实验后需写实验报告，通过最后提交实验报告的完成情况评定学生的实验成绩，这种评价方式对学生的能力判定不够全面;在今后实验成绩评价体系中，需详细记录实验过程中各个学生的具体表现与撰写实验报告综合评定学生的实验成绩，这种评定方式综合考虑了学生的动手能力与解决实际问题的能力，更具有合理性。
为充分运用新引进的实验平台，可结合老师具体的科研项目，给出与此相关的综合性研究毕业设计课题，让有攻读硕士研究生的本科生提早进入研究课题，不仅提高了实验设备的利用率，对学生学习内容的衔接也起了重大的作用。
4 结论
本文首先阐述了电力拖动与自动控制系统传统教学方式所存在的问题，针对问题的所在分别从理论课程教学和课程实践两个方面提出相应的改革建议。就理论教学而言，给出诸如交流调速与直流调速的侧重点调整、穿插工程实例、知识点扩展等方面的建设性意见。实践方面从实验指导书的更新、实验设备的改造升级、实验成绩的评定等方面探讨了提高学生动手能力、创新能力以及分析解决问题的能力的方法。通过学生的普遍反映来看，教学方式的改进使学生不再是被动地接受知识，而是主动地接受新知识，极大提高了学生的学习积极性，教学方式改革效果颇为明显。
基金项目：中国矿业大学2015年学校教育教学改革与建设一般项目（2015YB13）
