摘 要：为了培养自动化学生的新工科思维，以学生实践及设计中运动载体转速快速无静差控制为专题，基于理论教学，推导反馈控制数学模型，继而采用教学实验设备和仿真软件引导学生突破教学重点和难点，最后学生参与课外训练和科研活动，拓展和延伸教学内容。基于课程中电机转速调节控制专题，设计从理论— 实验—训练递进型的教学内容，融合繁琐的理论教学与生动的实践教学为一体，以电力拖动控制为载体培养新工科学生分析问题和解决问题的能力。
关键词：新工科建设;电力拖动控制;反馈控制;创新能力
为了深化工程教育改革，建设工程教育强国，教育部于2017年2月提出开展新工科研究与实践[1]。创新型人才培养作为工科优势高校的重要任务，能够提质升级制造业水平并推动中国制造向中高端发展[2]。结合我院自动化专业学生的培养目标，明确要求具有较强的创新意识和工程实践能力，能够解决生产、生活中复杂的控制工程问题[3]。电力拖动控制作为自动化系的专业骨干课，其控制对象———电机被广泛应用于制造业及高新技术产业的各个环节，对其进行新工科背景下的教学实践创新具有重要意义[4]，具体实践环节及教学内容如图1所示。本文在专题知识理论模型讲授的同时，重点加强学生在实验教学以及科技活动等方面的训练，让学生掌握理论知识的同时能够灵活地运用。
1 调速理论教学
以学生课外实践及科研训练中接触的智能小车作为运动载体，其主要由传感器、电机驱动及控制载体3部分组成[5]。通过传感器测量参数由电机驱动器对运动载体进行调速控制，其中核心内容为调速控制算法(见图2)。电动机调速性能是电力拖动控制系统的一个重要指标，可以把电力拖动控制系统简化为电动机-负载的基本模型通过改变电磁转矩和负载转矩，达到调节电动机转速以及运动载体速度的目的[6-7]。对运动载体进行调速控制，课堂理论讲授重点在于解决2个问题：(1)如何使转速控制器能够快速响应，即快速响应性?(2)如何使转速控制器能无静差调速，即无静差调速?
首先对运动载体引入比例控制器，根据运动基本方程突加负载转速下降，转速下降使得反馈电压下降，在给定电压不变的情况下比较电压增加，通过比例控制器增大控制电压进一步增大电枢电压，基于电枢回路平衡方程转速上升[8]。转速上升使得反馈电压增加，比较电压、控制电压和电枢电压下降，在Δn =0或者ΔUn =0时，则Uc =KpΔUn =0，且n=0。比例控制器由于转速降落差使得调速系统具有一定的控制电压，但是单纯采用比例控制器无法实现运动载体无静差调速。因此，对运动载体引入积分控制器，根据运动基本方程突加负载转速下降，转速下降使得反馈电压下降，在给定电压不变的情况下比较电压增加，通过积分控制器增大控制电压进一步增大电枢电压，基于电枢回路平衡方程转速上升，转速上升使得反馈电压增加而比较电压下降，由于积分作用是t区间所围的面积使得控制电压和电枢电压上升，在 Δn =0或者 ΔUn =0时积分控制器， 因此，积分控制器即使稳态时转速降落差为零，其控制电压仍然具有一定的数值，但是单纯采用积分控制器无法做到快速响应。最后，融合比例和积分控制器，构建一个 比 例 积 分 控 制 器，如 图 3 所 示。 负 载 增 加 转速n变化，同单纯比例和单纯积分控制器一样转速先下降再上升，但是 PI控制器输出为比例控制器和积分控制器叠加作用效果，最终转速n达到新的稳态，在保证调速系统较快响应的同时能够实现稳态无静差。
2 实验仿真教学
为了能够更加直观形象地认知运动载体转速 PI控制对调速性能的影响，在杭州力控科技有限 公 司HKKK-1型电力电子及电机拖动与运动控制实验装置上，指 导 学 生 搭 建 转 速 PI控 制 直 流 调 速，如 图 4所示。
转速闭环实验结果与转速开环相比较，转速开环时当增大给定电压导致电枢电压增加，使转速上升并稳定在1200rpm，通过减少负载电阻来增大负载电流，从而增加负载转矩，转速下降并最终到900rpm，说明在负载扰动下开环系统存在转速降落差;增加转速反馈控制构成转速闭环 PI控制系统，同样在转速1200rpm 时减少负载电阻增加负载转矩，发现转速基本稳定在1200rpm，说明在负载扰动下闭环 PI控制系统能够使转速稳定，如图5所示。
利用仿真软件搭建转速反馈电机调速 PI控制系统，仿真实验系统主要由电压给定模块、PI控制模块、转速反馈模块以及电压比较模块等组成，如图6所示。通过实验和仿真进一步验证了前述的理论分析和设计，发现其转速在较短的调节时间到达稳定的转速，如图7所示。转速控制器主要有3种方式：比例调节、积分调节及比例积分。比例控制器取决于输入偏差现状，积分控制器包含输入偏差全部历史，其调节的实质在于：(1)比例控制器能够快速响应;积分控制器只能逐渐变化;(2)比例控制器为有静差调速;积分控制器为无静差调速;(3)采用比例积分控制器，能够快速响应，其稳态精度高。
3 课外拓展训练
本文主要讲述 PI调节直流调速控制，直流电机目前在学生竞赛、科技作品中广泛使用，图8为学生采用步进电机来控制一个滚球系统。先用摄像头检测出滚球的当前位置，与预期滚球的位置进行比较，得出位置偏差送给PID1控制器，然后将输出值作为平板期望的输出角度值，与角度传感器测量的当前值进行比较，得出角度偏差送给PID2控制器，输出值用来控制电机，电机转动使得平板的角度和滚球的位置发生移动，直至滚球进入指定区域位置，即最终滚球输出为准确位置信息。采用以下步骤：(1)调速控制器结构采用 PID串级控制;(2)参数整定先比例，再积分、后微分;(3)摄像头检测滚球位置与预设位置偏差给 PID1，与角度传感器测量当前值偏差给PID2控制器，来控制电机的运动。
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学生参与教师相关科研项目时需要电力拖动控制知识，包括机器人寻迹控制、机器人融合定位以及机器人地图构建等科研活动，需要对机器人的航向、速度和位置进行精确控制，通过传感器测量机器人的航向角、速度和位置参数，作为反馈值传输到控制器来实时调整输入信号的幅值，采用电动机控制机器人沿着规划好的路径运动到预定位置[9-10]。基于理论教学结合实验教学，通过课外拓展训练帮助学生在电力拖动 PI控制专题进行体验式学习，从而促进理论理解与实际运用能力的提升，培养新工科学生解决实际问题的能力和创新能力[11-12]。
4 结语
本文针对电力拖动控制 PI专题的教学设计，以学生接触的智能小车作为运动载体，设计了一条从问题引入—理论教学—实验教学—拓展训练的主线，注重理论与实践相结合并逐步推进，激发学生的学习兴趣，提高电力拖动控制的教学效果，让学生在具体的工程实践中掌握重点难点等相关知识，同时培养了新工科学生利用所学知识进行电力拖动控制的应用能力，使得学生能够认识到自动化专业今后在工业物联网或智能制造中就业和深造的重要性。作为一名高等院校的教师，要践行立德树人的使命，在立足课堂讲好“一门课”这一系统工程的同时，做到教学与科研融合，通过自己的努力帮助学生成为更好的自己。
