面向工程认证的“运动控制系统”教学设计

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　　【摘 要】在我校自动化专业工程教育认证之际，开展了“运动控制系统”课程的教学改革研究。运用成果导向教育的概念，修订了教学大纲，明确了课程的任务和特点。结合我校自动化专业特点，确定了毕业要求指标点和“运动控制系统”课程所支持的理论和实验教学目标。介绍了本课程课程项目的设计和实验教学内容。
　　【关键词】工程教育专业认证;运动控制系统;课程考核;达成度评价
　　中图分类号： G642 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）34-0040-002
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.34.013
　　0 引言
　　2016年6月，在马来西亚吉隆坡举行的国际工程联盟会议上，中国通过了加入华盛顿协议的申请，并成为第18个华盛顿协议的正式成员。 这表明中国的工程教育在人才培养类型和质量方面得到了国际公认[1-4]。我校自动化专业在2011年开始“卓越工程师培养计划”，与研华科技、泛华科技等一些企业，建立了校企合作的人才培养模式，通过多年的努力，自动化专业的学生在工程能力培养方面，取得了很好的成绩，专业教师的工程教育水平也有所提高。在此基础上，2016年10月，自动化专业开始启动工程教育认证申请，2017年11月专家进校现场考查评估，2018年6月获得中国工程教育认证证书，有效期2018年-2023年（有条件）。2018年，通过了教育部教育卓越计划的验收。
　　工程教育的基本要求是基于成果为导向的OBE教育。借鉴现有的改革和探索经验，考虑到北京信息工程大学自动化信息与控制专业特点，从工程应用和创新自动化人才培训的需求出发[5-6]， 结合教学中的实践和体会，课程组重新定义了符合工程教育认证中规定的毕业要求课程提纲。
　　结合工程认证中对学生的毕业要求，强调“以学生为中心”的思想，开展学生理论知识学习、工程问题求解和创新能力的培养。教学中不仅注重学生基础知识和难点内容的学习，还注重学生对于知识探究能力的培养。
　　1 课程的任务与特点
　　“运动控制系统”课程是我们学校自动化专业的必修课程。基于电力电子技术的交流调速系统的基本规律和静态动态分析方法原理，特点和应用范围。通过实例和实验了解有关工程实际问题，为学生以后设计和分析其他自动控制系统打下坚实的基础。
　　本课程在第3学年的第2学期开设。特点是跟踪运动控制系统的发展趋势，以实际应用为导向，重点讲解双闭环直流调速系统及感应电动机的矢量控制系统。由于本课程综合性较强，涉及电机拖动、电力电子及控制理论等多方面的知识，要求学生有较好的理论基础知识及实际的动手能力。本课程的难点是对交流电机数学模型的理解，这是矢量控制及直接转矩控制的基础。本课程涉及面广，包括直流电机、感应电机及同步机的控制，尤其是感应电动机的控制有一定的深度，通过讲解一些实际应用来帮助学生更好的理解。
　　2 课程支撑的毕业要求指标点
　　经过课程组集体学习、调研、多轮次的研讨，结合我校专业建设、就业等情况，我校自动化专业运动控制系统课程支撑的毕业要求指标点如下：
　　1.3能将自动控制系统认知及系统思维知识用于自动化领域复杂工程问题的分析、设计、控制、运行和改进等过程中。
　　1.6能将自动化工程知识用于自动化领域的工程系统设计、控制、判断、优化等过程中;
　　3.3具有控制系统组态、软件设计与调试能力。
　　4.3具有综合分析实验假设、实验方案、实验数据、理论模型和工程实际表象，且探寻解决方案能力。
　　5.3具有自动化仪器/仪表/装置的使用能力及自动化系统工程的调试、运行和维护能力。
　　3 理论、实验环节教学目标的确定
　　理论环节教学目标：
　　理论目标1：能够利用反馈控制理论构建典型交直流调速控制系统，分析系统动态及稳态性能，设计控制器的结构及参数，分析系统的运行指标。
　　理论目标2：能够根据系统提出的稳态及动态性能指标，采用波特图方法、典型系统设计方法及计算机数值仿真方法合理选择、优化控制器的结构及参数。
　　理论目标3：能够在MATLAB 及Simulink环境下构建交直流调速系统的仿真模型，编写仿真程序，調试程序，并分析系统的性能。并能根据系统运行的结果，调整、优化控制器的参数。并根据仿真结果预先设计控制器参数，为实验做准备
　　实验环节教学目标：
　　实验目标1：能够根据设计的实验方案，搭建转速、电流双闭环调速实验系统及交流异步电动机变频调速系统实验线路。能够分析实验数据，获取系统的转速、电压及电流等物理量的波形图。分析系统稳态及动态性能，和预期目标相比较，调整控制器的参数，记录对系统性能的影响，分析理论与实验操作的差别。探寻改善系统性能指标的方案。
　　实验目标2：能够熟练使用交直流电机及测量仪表等装置，熟练进行参数及型号的选择及计算。并对运行过程中出现的故障予以检测及维护。
　　4 课程项目的设计
　　《运动控制系统》主要包括两部分内容：直流调速系统和交流调速系统。因此，本课程项目的设计也分成2个子项目，课程项目的设计内容：
　　（1）在MATLAB/SIMULINK环境下编写转速闭环直流调速系统的仿真程序，获取转速及电流的波形图，分析系统的稳态及动态性能指标。调整转速调节器的结构及参数，观察结构及参数的变化对系统性能的影响。
　　（2）在MATLAB/SIMULINK环境下编写SPWM交流变压变频控制的仿真程序，获取三相PWM逆变器双极性SPWM波形，包括逆变器的三相输出电压、电机的线电压及相电压的波形。观察正弦调制波的频率与期望的输出电压波的频率之间的关系。调整三角载波的频率，观察载波比的变化对SPWM波形的影响。
　　5 实验教学内容设计
　　实验教学目的是通过实验进一步掌握直流调速系统的工作原理;掌握单闭环系统、双闭环系统转速、电流等参数的波形分析及调节器参数的调整方法。掌握交流变频调速系统的基本工作原理，熟悉变频调速方法。
　　主要设备是交直流调速系统实验平台。
　　实验考核办法：
　　实验报告：本门课程对实验报告的要求（应包括对报告内容的要求），内容包括：实验的目的，实验的方案，实验用到的设备，实验步骤，以及必要的结论。
　　考核方式：根据实验的准备情况，实验情况及实验报告完成情况，及答辩情况进行考核。考核成绩按20%计入课程成绩。
　　【参考文献】
　　[1]林健.工程教育认证与工程教育改革和发展.高等工程教育研究，2015（02）：10-19.
　　[2]梅林，孙玲玲，张楠.面向工程教育专业认证的电力系统综合实验教学改革.实验室研究与探索，2018，37（7）：160-164.
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　　[6]姜晓坤，朱泓，李志义.新工科人才培养新模式.高教发展与评估，2018，34（2）：17-24.
　　[7]袁少强，郭艳玲，张平，申功璋.基于工程项目教学法的控制实验平台建设.实验室研究与探索，2013，32（11）：425-428.
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