“运动控制系统”虚拟实验教学探索

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1、“运动控制系统”虚拟实验教学探索 摘要：“运动控制系统”是一门实践性很强的课程。实物实验和虚拟实验是学生充分领会、理解教材内容并最终掌握的必要手段。相比较而言，虚拟实验教学更有利于学生掌握基本理论，培养学生分析问题、解决问题的能力。借助MATLAB/SIMULINK仿真软件，对“运动控制系统”虚拟实验教学方面进行了一些探索，旨在给学生提供一个相对直观的学台，以帮助学生切实掌握运动控制系统的基本内容。 关键词：运动控制系统；MATLAB/SIMULINK；虚拟实验 作者简介：刘述喜（1969-），男，湖南邵阳人，重庆理工大学电子学院，副教授；李山（1965-），男，湖南益阳人，重庆理工大学电子学

2、院， 教授。（重庆400054） 基金项目：本文系重庆理工大学博士启动金资助项目（项目编号：076032）的研究成果。 中图分类号：G642.423     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2012）09-0077-02 一、“运动控制系统”课程概述 “运动控制系统”是自动化专业的一门核心专业课程，该课程理论性和实践性都很强。早期在本专业分方向的时候，选择运动控制方向的学生寥寥无几。针对这种情况，后面在人才培养方案修订的时候，“运动控制系统”成为自动化专

3、业一门必修课。然而学生普遍感觉这门课程学习难度大，仍然缺乏兴趣。这种状况固然与相当部分学生前续课程没有打好基础有关。因此对该课程进行一些教学改革，不致照本宣科，进而激发学生学习兴趣势在必行。1 意大利教育家Maria Montessori说过：“讲授于我，我会忘记；演示于我，我可能会记住；但让我参与其中，我就会理解了。”可见，在“运动控制系统”这样一门实践性非常强的课程教学中，为了在有限学时内使学生较好地掌握课程内容、获得最好的教学效果、最大限度地培养学生的工程实践能力和创新能力、增强学生的学习兴趣，仅靠灌输是不行的，更重要的是教师要结合自己的科研实践对教学内容、教学方法进行改革，更多地采用“

4、演示”和让学生参与实践的方式，使学生将理论和实践紧密结合起来，进而调动他们学习的积极性，并有所收获。 二、“运动控制系统”课程的特点 “运动控制系统”是自动化、电气工程及其自动化等专业的主干课程、核心课程，既有完整的理论体系，又有很强的实践性，是一门理论基础和工程实践结合非常紧密的典范课程。 “运动控制系统”的前续课程有“电机与拖动基础”或“电机学”、“自动控制原理”、“微机原理”、“计算机控制技术”和“电力电子技术”，“运动控制系统”是这些课程的综合和升华。前续课程看作是一个个独立的知识点，则“运动控制系统”可以看作是一根线，是这根线将这些点有机地联系起来，由元件到电路再到系统。可见，“运动

5、控制系统”这门课程的学习，不但能培养学生的系统概念，还能培养学生应用基本理论与方法进行工程设计的能力。也正是上述特点，“运动控制系统”课程的教与学具有一定的难度及挑战性。对于学生而言，前面课程基础没有打好，自然对“运动控制系统”望而生畏，丧失兴趣；对于教师而言，自然也要能掌握前面课程的基本内容，上课时能旁征博引，适当地补充学生的“弱项”，切实帮助学生建立系统、工程的观念。 三、虚拟实验的开展 面对“运动控制系统”这样一门理论性和实践性都很强的专业课来说，除了精心组织课堂教学内容外，实验教学是必不可少的手段。只有通过实验教学，才能使学生充分领会、理解课本中的内容并最终掌握它们。实验教学不要局限于

6、实物实验，在新形势下，基于计算机仿真软件的虚拟实验教学更有利于初学者循序渐进地掌握课程基本理论；实物实验和虚拟实验如果结合得好，便会相得益彰。 1.现有的实验教学不足 “运动控制系统”的主要内容有三大块，分别是直流调速系统、交流调速系统和伺服系统。重庆理工大学（以下简称“我校”）的实验教学围绕上述教学内容安排了5个实验，直流调速系统两个：一个是基于晶闸管元件的双闭环直流调速系统实验，一个是基于全控型器件的PWM直流调速系统实验；交流调速系统两个：一个是转速开环的恒压频比控制异步电机实验，一个是转速闭环、磁链开环的异步电机矢量控制技术实验；伺服系统安排了一个实验，即带位置传感器的永磁无刷直流电机

7、控制系统实验。在有限的学时内，安排这样几个实验体现了课程的重点，关键是在具体实施上要提高质量。 我校“运动控制系统”实验装置是2005年购买的某教仪设备有限公司生产的“电力电子与电机控制试验台”和2008年购置的交流电机调速系统实验箱。直流调速系统实验在“电力电子与电机控制试验台”完成，该装置采用较多的分立元件，虽然有助于学生理解工作原理，但调试十分困难，单元之间易干扰，难以得到满意的结果或波形。交流调速系统和伺服系统实验在实验箱上进行，该实验箱基于DSP（数字信号处理）控制，虽然可以接仿真器进行程序二次开发，但对于没有DSP基础的学生来说，又谈何容易，所以往往变成了教师的演示实验。在这样一种

8、境况下，实验教学有可能演变为遵循既定的实验步骤和实验设备连线的验证性实验，设计性实验无从开展，也就发挥不了学生的自主实验能力和创新能力。 此外，在实物实验中，教师害怕学生出安全事故，怕损坏设备；学生在实物实验中心中没底，放不开手脚，过分依赖老师。 2.虚拟实验的优势 计算机辅助教学是一种新型的现代化教学方式，也是当今世界教育技术发展的新趋向。基于计算机仿真软件如MATLAB/SIMULINK的虚拟实验教学完全可以克服实物实验教学的不足，其实验内容多样化、实验时间不受限制，更重要的是虚拟实验不会烧元件、不会损坏设备，完全可以让学生大胆地去尝试。虚拟实验是实物实验的有益补充。通过虚拟实验，学生将基

9、本理论搞清楚了，然后再进行实物实验，心中就会有数多了，做起来信心百倍。即使实物实验做得不理想，也会让学生明白理论和实际的差距，也能培养他们分析问题、解决问题的能力。虚拟实验和实物实验的完美结合，就是理论指导实践、实践检验理论的过程。这也正是现代科学研究的基本方法，学生势必受益匪浅。 MATLAB/SIMULINK仿真软件非常适合于“运动控制系统”课程的虚拟实验教学。MATLAB是美国Math Works公司发行的矩阵计算软件，其中的SIMULINK动态仿真软件包含有很多工具箱，功能十分强大。它给用户提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境，具有以下特点：建模方式直观，只要知道对象的数学模

10、型，利用SIMULINK可视化的建模方式，可迅速建立动态系统的框图模型，结构和流程清晰；仿真方式灵活，为用户提供了一个图形化的调试工具，在仿真过程中可以修改参数；交互式的仿真分析：SIMULINK的示波器可以动态、图形化地显示数据，多种分析工具可以帮助诊断模型中的问题。 借助MATLAB/SIMULINK软件开展的“运动控制系统”虚拟实验内容可以分为三个层面：认识和验证性实验、设计与综合性实验和开放性实验。2认识和验证性实验旨在加深学生对书上已有的简单的模型进行建模，在SIMULINK的SimpowerSystem模块库里提供的模块像搭积木一样构建仿真模型，一般单个人可以完成；设计与综合性实验

11、则难度较大，如矢量控制系统的仿真实验，可以采用学生分组的方式，他们查阅资料，提出实验方案，老师审核后再安排实验，设计性实验，学生不但加深对基础理论的理解，而且能对多个知识点融会贯通，提高他们的创造力；开放性实验旨在培养学生的创新能力，学生自己对某个问题感兴趣，自己独立完成虚拟实验。 3.虚拟实验开发实例 “坐标变换”是“运动控制系统”课程的一个重点内容，它属于认识和验证性实验，要求学生必须掌握。可学生在初次接触坐标变换的时候感觉很抽象。下面就以旋转坐标变换为例，在SIMULINK环境下如何建立仿真模型进行虚拟实验。使用的MATLAB软件版本是7.0，要用到的主要模块是SIMULINK基本模块库

12、和SimPowersystems模块库。 两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系（2s/2r变换）及其逆变换是矢量控制技术的基础。 2s/2r电压变换公式为：3 （1） 公式中d，q是两相旋转坐标系，是d轴与轴之间的夹角。 在此要指出的是，公式（1）是书上的原公式，而依据书上所给的坐标系，即q轴超前d轴90、轴超前轴90，公式（1）就是错误的，依据公式（1）建立仿真模型是得不到结果的，这里并不是要冒犯原书作者，只是有两点启示：一是别盲目相信书本上的东西；二是在MATLAB/SIMULINK环境下涉及坐标系的时候一定要搞清楚使用的是什么坐标系，轴不一定非要超前轴90，也可以滞后90。 在q轴超前d轴

13、90、轴超前轴90的情况下，正确的2s/2r变换公式为： （2） 依据公式（2）建立仿真模型如图1所示。旋转坐标系d，q旋转速度100*pi弧度/s，与电源角频率相同。仿真结果如图2和图3所示。u滞后u90，幅值为1，仿真时间为0.1s。图2为=0时ud、uq的波形，可以看出ud=0，uq=1；图3为=/12时ud、uq的波形，此时ud=0.2588，uq=0.9659，d、q旋转坐标系的角频率与电源角频率相同时，可以看出，经过2s/2r变换后交流分量就变成了直流分量了。 图2、图3实际上还给出了旋转坐标系如何定向的相关信息。可见，通过坐标变换这样一个虚拟实验，可以发现很多问题，给学生提供一个

14、直观的学台，不再对数学公式感到抽象，从而切实掌握书本内容。 四、结束语 虚拟实验有利于加深学生对所学内容的理解，而且也能拓展思维、开发创新的途径。在实施虚拟实验教学的过程中，学生经常发出“原来如此”的惊叹，满足感油然而生。要指出的是，虚拟实验教学最终还是要回归到实物实验来解决实际问题。不要过分依赖虚拟实验来掌握理论知识，正确的途径是在掌握基本理论知识的前提下进行验证、综合和创新。 参考文献： 1方清城,罗中良,官峰.运动控制系统的开放式实验教学J.中山大学学报论丛,2005,25(1):135-137. 2李正,杨文焕.电机与拖动基础虚拟实验的教学研究J.中国电力教育,2008,(21):147-148. 3陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统(第三版)M.北京:机械工业出版社,2003.第 8 页 共 8 页