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
电力拖动手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、综合性强等特性，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;如今全省用电总数的80%均供给小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，电机的控制技术从精典的PI控制衍生到现在的模糊控制、智能控制以及现在技术比较成熟的直接力矩控制。且控制器从模拟的运算放大电路演化到现在的全数字控制器时代，这些技术的进步使交流电机在小型鞋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，本文从剖析我校在电力拖动手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剖析该课程的变革方案，并就变革方案的具体施行提出建设性的意见。
1 传统教学方案存在的问题
我校从电气工程专业创立之初就开办电力拖动自动控制系统这一课程，针对该课程的强综合性、工程实用性等特性，从原本的纯理论教学演化为理论与实践相结合的教学方法，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集电极搭建的模拟控制电路;到90年代交流调速系统日趋成熟，从半控型的二极管调速系统到基于全控型元件MOSFET、IGBT等组成的PWM调速系统逐步抢占了市场的主导地位，此时控制器已步入了全数字时代，由光耦组成的模拟控制电路被完全替代。如今在课程教学中，直流调速与交流调速部份的教学部份各占50%，这使直流部份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阐述。
二是本课程理论与实践的联系紧密，工程实用性强。电力拖动手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，传统的教学方法通常是从系统组成、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;从教学后的实际疗效反馈来看，学完整门课程后，大多数中学生的思维仍局限于以马达怠速为控制对象的调速系统，对该课程教学意义的认识过分自私，不利于中学生知识面的扩宽。
三是本课程的教学目标为培养中学生剖析、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，实际工程应用中除了须要相关人员懂得设备故障后的应急处理，而且须要工程人员具备剖析缘由、排除故障的能力。然而实际教学中对该方面的内容提到较少，学生缺少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相悖。
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形式。电力拖动手动控制系统共安排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，既锻练了中学生的动手能力，又提升了中学生之间的团队协作能力。但因为实验条件的限制，目前仍难以完成例如基于矢量控制的交流调速等高性能的系统实验，所以引进或自行研发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 课程教学方法的变革阐述
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日渐代替直流调速系统，相应的课程教学重点作相应的更改，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式，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份内容只作简略介绍或直接删掉，交流部份从物理模型的推到入手，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常常采用的数字控制算法的原理及实现方式。
其次，在课程教学中适量穿插工程实例的讲解。在中学生把握基本原理、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、各部份的工作原理、控制策略的实现方式、实际工程的注意事项等方面的内容，让中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剖析，对系统的整体构架有感性的认识，同时加深了中学生对所学知识的印象。
在现有的教学方案中，学生的思维其实被囚禁在以怠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、位置控制等章节以降低中学生的知识面。把电力拖动手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，这对课程变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手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二极管的三相异步电机的调压调速系统实验;课程设计则是依据电子钳工实验教学中心的现有条件，自主制定实验方案，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，提出如下变革意见：
实验指导书为中学生完成验证性实验提供必要的理论指导，实验指导书的内容通常包括实验目的、实验系统组成及原理、实验内容、预习要求、注意事项等几部份内容。但实验指导书只告诉中学生该怎么做实验，没有引导中学生去思索为何如此做以及不仅此方式有没有别的实现方式等问题，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，且思索题的内容除了要紧密结合实际系统，而且要引导中学生独立思索或通过资料的查询了解其动因，这样能使中学生跳出所有情况都基于纯理想状态的思想束缚，从而达到举一反三的良好疗效。
目前我校电力拖动手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日本国家仪器（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以及更多的外置外设，可用于实现自订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愈加便捷，该控制系统在马达控制、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升电工电子实验教学中心的教学能力，使中学生能在实验平台上完成例如基于SVPWM变频调速、直接转矩控制等复杂控制算法，使中学生的动手能力、分析解决问题的能力以及创新能力都得以提高。
为增强实验教学质量，通常中学生在做实验之前都须要先写预习报告，在完成实验后需写实验报告，通过最后递交实验报告的完成情况评定中学生的实验成绩，这种评价方法对中学生的能力判断不够全面;在今后实验成绩评价体系中，需详尽记录实验过程中各个中学生的具体表现与撰写实验报告综合评定中学生的实验成绩，这种评定方法综合考虑了中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结业设计课题，让有攻读硕士研究生的本科生提前步入研究课题，不仅提升了实验设备的利用率，对中学生学习内容的衔接也起了重大的作用。
4 结论
本文首先阐明了电力拖动与手动控制系统传统教学方法所存在的问题，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变革建议。就理论教学而言，给出例如交流调速与直流调速的优缺调整、穿插工程实例、知识点扩充等方面的建设性意见。实践方面从实验指导书的更新、实验设备的改建升级、实验成绩的评定等方面阐述了提升中学生动手能力、创新能力以及剖析解决问题的能力的方式。通过中学生的普遍反映来看，教学方法的改进使中学生不再是被动地接受知识，而是主动地接受新知识，极大提升了中学生的学习积极性，教学方法变革疗效颇为显著。
基金项目：中国矿业大学2015年中学教育教学变革与建设通常项目（2015YB13）
